EP1485931A1 - Appareil electrique a actionneur piezoelectrique pilote - Google Patents

Appareil electrique a actionneur piezoelectrique pilote

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EP1485931A1
EP1485931A1 EP03735776A EP03735776A EP1485931A1 EP 1485931 A1 EP1485931 A1 EP 1485931A1 EP 03735776 A EP03735776 A EP 03735776A EP 03735776 A EP03735776 A EP 03735776A EP 1485931 A1 EP1485931 A1 EP 1485931A1
Authority
EP
European Patent Office
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pole
actuator
contact
movable
approach
Prior art date
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EP03735776A
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German (de)
English (en)
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EP1485931B1 (fr
Inventor
Christian Bataille
Stéphane FOLLIC
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Schneider Electric Industries SAS
Original Assignee
Schneider Electric Industries SAS
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Publication date
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Publication of EP1485931A1 publication Critical patent/EP1485931A1/fr
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Publication of EP1485931B1 publication Critical patent/EP1485931B1/fr
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H57/00—Electrostrictive relays; Piezoelectric relays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H51/00—Electromagnetic relays
    • H01H51/22—Polarised relays
    • H01H51/2209—Polarised relays with rectilinearly movable armature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/54—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere
    • H01H9/56—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the ac cycle
    • H01H9/563—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the ac cycle for multipolar switches, e.g. different timing for different phases, selecting phase with first zero-crossing

Definitions

  • the present invention relates to an electrical power switch device, monopolar or multipolar, of the relay, contactor or contactor / circuit breaker type, the closing and opening movements between movable contacts and fixed contacts are effected by an approach actuator. and a force actuator.
  • the invention also relates to a method for closing and opening the contacts of such a switching device.
  • An electrical device of the relay, contactor or contactor / circuit breaker type is a device usually used to effect the electrical switching of a power load, such as for example a motor. For this, it usually comprises, for each power pole, a movable bridge driven by an actuator generally consisting of an electromagnet common to the different poles and provided with a return spring.
  • the movable bridge carries a movable contact in single break, or two movable contacts in double break, cooperating with one, respectively two, fixed contact (s), so as to interrupt or ensure the passage of electric current in the poles of power.
  • contact pressure springs acting on the movable contacts are usually used.
  • the actuator command can come from a manual command from an operator or from an command issued by an automatic control.
  • the instant of appearance of these orders is then obviously out of sync with the intensity of the current passing through the different power poles of the switch device at this instant. Therefore, during the opening movement corresponding to the separation between the fixed and mobile contacts, a large electric current can flow in the poles thus creating, in known manner, an electric arc of cut between the fixed and mobile contacts.
  • This cutting arc requires a cutting chamber in the device and ultimately accelerates the wear of the contact pads deposited on the fixed and mobile contacts.
  • the electromagnet comprises for example a return member, such as a return spring, large enough to have the fastest possible separation between fixed and mobile contacts.
  • a first object of the invention is to be able to ensure the break between the fixed and movable contacts of the poles of a switching device at the moment when the alternating electric current flowing in these poles is practically zero. This will reduce the electric arc generated upon cutting, which will advantageously reduce the wear of the contact pads. This will also result in a decrease in the external manifestations of the cuts and a simplification of the breaking chamber.
  • a second object of the invention is to be able to eliminate the existing mechanical return members in such a switching device. This will advantageously reduce the size of the actuators for a given nominal current. We will then obtain a switch device of smaller size, simpler in design, consuming less energy and whose contacts will wear out less quickly.
  • the invention describes an electrical switch device for switching a load and comprising one or more power poles, each pole comprising a movable bridge provided with at least one movable contact which cooperates with at least one fixed contact of the pole between open and closed positions.
  • the switch device comprises an approach actuator acting on the mobile bridge (s) of the switch device so as to allow the distance and the connection between mobile contacts and fixed contacts.
  • Each pole includes a force actuator allowing the establishment of the contact pressure or the breaking of contact between the mobile contact (s) of the mobile bridge and the fixed contact (s) of the pole, without using a mechanical return member .
  • the approach actuator is constituted by an electromagnetic linear actuator with electrical control or by an actuator of the Voice Coil type.
  • the force actuator of a pole comprises at least one piezoelectric element acting on the contact (s) fixed (s) of the pole.
  • the switch device comprises means for measuring the current flowing in the pole or poles connected to an electronic control unit capable of controlling the approach actuator (s) and the force actuator (s). Thanks to position determination means, this control unit will allow better control of the dynamics (position, speed, effort) for optimal operation of the switch device: elimination of rebounds, contact pressure regulated as a function of the current flowing in the pole, diagnostic of the wear of the pads.
  • the invention also relates to a method of switching a pole in an electrical switch device.
  • the method is characterized in that the closing movement of the contacts comprises an approach step allowing the moving bridge to be brought closer to the fixed contact (s) using an approach actuator and includes a contact step allowing the establishment of a contact pressure between movable contacts and fixed contacts of the pole using a force actuator.
  • the method is also characterized by the fact that the opening movement of the contacts comprises a breaking step allowing the separation between movable contacts and fixed contacts of the pole using the force actuator and includes a step of moving away of the movable bridge using the approach actuator.
  • the breaking step is only carried out when the electric current flowing in the pole is less than a predetermined threshold, just before the current goes to zero.
  • FIG. 1 shows a simplified example of an double break contact pole in a switch device according to the invention, in the open position
  • FIG. 2 shows the example of FIG. 1 after the approach step
  • FIG. 3 shows the example of FIG. 1 in position closed
  • - Figure 4 shows a second embodiment of a double-break contact pole
  • Figure 5 shows an example of a single-break contact pole
  • Figure 6 details a functional diagram of the actuators control 'A switch device according to the invention.
  • An electrical power switch device such as a relay, contactor or contactor / circuit breaker has one or more power poles. He is responsible for electrically control an electrical load, such as a motor, a resistor or the like.
  • the switch device comprises three power poles corresponding to the three phases L1, L2, L3 of an alternating current, for controlling a motor M.
  • a power pole has a movable bridge
  • the pole which carries two movable contacts 31 a, 31b electrically connected to each other.
  • the pole comprises two power conductors 40a, 40b, the conductor 40a corresponding, for example, to an upstream conductor and the conductor 40b corresponding to a conductor downstream of the switching device.
  • These two conductors 40a, 40b each carry at their end a fixed contact respectively 41a, 41b which come into contact with one of the movable contacts respectively 31a, 31b, when the movable bridge 30 is in a closed position allowing the circulation of a electric current between the upstream 40a and downstream 40b conductors.
  • the end of the upstream 40a and downstream 40b conductors can form a loop so as to reduce the repulsion of the contacts in the event of a high current.
  • the movable bridge 30 is integral with a mechanical member 23, such as a finger, a pusher or the like, which is itself mechanically driven by the movable part 21 of an approach actuator 20.
  • the details of a such mechanical connections are conventional in contactors or contactors / circuit breakers and are therefore not shown in the figures in this document.
  • the approach actuator 20 is responsible for carrying out the movements of the approach stroke and the movement away from the movable bridge, between the open position (see FIG. 1) and an intermediate position (see FIG. 2) where the fixed contacts 41a, 41b and mobile contacts 31a, 31b are close but separate from each other, as detailed below.
  • Each power pole also includes a force actuator 42, responsible for carrying out the movements of the contact crushing stroke, that is to say responsible for establishing the contact pressure or the break between the fixed contacts.
  • a force actuator 42 responsible for carrying out the movements of the contact crushing stroke, that is to say responsible for establishing the contact pressure or the break between the fixed contacts.
  • 41a, 41b and mobile 31a, 31b of the pole between the intermediate position (see Figure 2) and the closed position (see Figure 3), as detailed below.
  • the force actuator 42 is constituted by one or more piezoelectric elements 42a, 42b, 42 'deformable.
  • the piezoelectric elements are already known and have the particularity of deforming by slightly increasing in volume, under the action of an electric voltage. This deformation is proportional to the value of the voltage applied to them and is reversible when the voltage disappears. Such elements are therefore bistable and do not require a mechanical return member to return to the initial position. They have the advantage of consuming very little current, but nevertheless of generating a high force during their increase in volume in a very fast response time. In addition, they avoid using moving parts and therefore do not cause wear.
  • a power pole comprises two piezoelectric elements 42a, respectively 42b, are placed between a fixed base of the switching device and the end of the power conductors 40a, respectively 40b, carrying the two fixed contacts 41a, 41b respectively. If an electrical voltage is applied to them, the piezoelectric elements 42a, 42b will increase in volume thus creating forces F2a, F2b (see FIG. 3) which will cause a slight deformation of the loop made by the metallic conductors 40a, 40b and therefore a displacement of the fixed contacts 41a, 41b in the direction of the movable contacts 31a, 31b. If the movable bridge 30 is in the intermediate position of FIG.
  • this displacement will then be sufficient for the fixed contacts 41a, 41b to come to press and exert pressure on the movable contacts 31 a, 31 b to give the closed position of Figure 3.
  • the order of magnitude of the displacement thus caused is less than or equal to 1 mm.
  • the piezoelectric elements 42a, 42b are positioned on the movable bridge 30 and act on the movable contacts 31 a, 31 b.
  • the movable bridge 30 can include a metallic conductor 33 connecting the movable contacts 31a, 31b to each other.
  • This conductor 33 is flexible enough so that, when a voltage is applied to the piezoelectric elements 42a, 42b, their increase in volume can generate a slight deformation of the conductor 33 and therefore a movement of the movable contacts 31 a, 31 b towards the fixed contacts 41 a, 41 b.
  • this variant leads to an increase in the total weight of the mobile bridge 30.
  • the switch device comprises a single approach actuator 20 for all of the poles.
  • the movable part 21 of this actuator 20 therefore drives all of the mechanical members 23 of the different poles.
  • the switch device could include a separate approach actuator 20 for each pole. This second solution would be more flexible to use, each pole can then be individually controlled by smaller actuators, although it can be more cumbersome.
  • the approach actuator 20 is an electromagnetic actuator with electrical control, for example a bistable linear electromagnet.
  • the movable part of the actuator is a movable core 21, such as a plunger core made of magnetic material, surrounded by a fixed carcass 22 carrying a coil traversed by a control current.
  • the approach actuator 20 acts on the movable bridges 30 (or on the movable bridge 30 if there is one approach actuator per pole or if the switch device has only one pole), so as to allow the distance and approximation between fixed contacts and movable contacts.
  • the movable core 21 moves to a remote position, corresponding to the open position of the pole contacts as shown in Figure 1.
  • the approach actuator 20 can also be a linear actuator of the Voice Coil type in which the movable core comprises a coil, traversed by a control current, which moves inside a fixed cylinder head comprising a permanent magnet.
  • the movable core comprises a coil
  • traversed by a control current which moves inside a fixed cylinder head comprising a permanent magnet.
  • a rotary electromagnet provided with a conventional mechanism making it possible to transform a rotary movement into a linear movement.
  • the approach actuator 20 therefore does not require the use of return members, of the return spring type, to return the movable core 21 to a determined initial position.
  • the actuator 20 is regulated in speed and in position by a control unit 10 so as to obtain a rapid approach stroke and stable positioning.
  • This position regulation is particularly important to keep the movable bridge 30 in the closed position, because when the piezoelectric elements 42a, 42b generate the forces F2a, F2b, these forces F2a, F2b must necessarily be compensated by the force F1 generated by the approach actuator 20 for maintain good pressure between fixed and mobile contacts.
  • the switching device comprises an electronic control unit 10 which is provided with a processing unit, such as a microprocessor or a microcontroller, and with a memory, and which is connected to measuring means current 11 of the switching device, such as current sensors, capable of delivering signals proportional to the currents flowing in the phases L1, L2, L3.
  • the control unit 10 also receives an external piloting command 12 for closing or opening which comes either directly from a user command, or from an order coming from an automation for example. Based on this information, the control unit 10 is capable of sending appropriate commands to the approach actuator 20 and to the force actuators 42 of the different poles.
  • control unit 10 must be able to know in real time the position of the movable core 21 in order to be able to regulate in position and speed the position of the approach actuator 20.
  • control unit 10 comprises means for determining the position of the movable core 21.
  • these position determination means comprise for example a position of the movable core 21 returning position information to the control unit 10.
  • control unit 10 does not necessarily include a position sensor because it is capable of estimating this position of the movable core 21 from measurements of the voltage and current flowing in the coil and a calculation of the variation in inductance linked to the variation in air gap, as indicated in l e document FR0200952.
  • the method of switching a pole comprises a step approach in which the control unit 10 sends an approach command to the approach actuator 20.
  • the resulting electromagnetic force F1 causes displacement of the movable core 21 towards the intermediate position.
  • the method of switching a pole also includes a contact step in which the control unit 10 sends a force command to the force actuator 42 of the pole.
  • the elements 42a, respectively 42b, of the effort actuator 42 receive a voltage causing their volume to increase and creating a force F2a, respectively F2b, on the fixed contacts 41a, respectively 41 b, sufficient to carry out the contact crushing stroke and to press the fixed contacts 41a, respectively 41b, against the movable contacts 31a, respectively 31b.
  • the control unit 10 must balance the different forces by regulating the position of the movable core 21 to prevent it from moving under the action of the forces F2a, F2b so as to ensure a satisfactory contact pressure. Either the approach step and the contact step can take place sequentially or simultaneously.
  • the fixed and mobile contacts are therefore far enough apart not to allow the establishment of an electric current between them but are close enough that the small displacement caused during the contact step comes to press the fixed contacts against moving contacts.
  • diagnostic functions can also be created on the wear of the contact pads, when there is an approach actuator per pole.
  • the approach actuator initiates a closing movement at stable speed, the moment when the current is established in the phase corresponding to the pole is detected by the current sensors 11.
  • the method of switching a pole first comprises a breaking step in which the control unit 10 removes the force command sent to the force actuator 42 from the pole.
  • the disappearance of the voltage applied to the elements 42a, respectively 42b, of the force actuator 42 will generate a return to their initial shape, thus causing the separation between the fixed contacts 41a, respectively 41b, and the movable contacts 31a, respectively 31 b, and their return to the intermediate position.
  • the method for switching a pole includes a distance step during which the control unit 10 sends a distance command to the approach actuator 20. This distance command causes the movable core 21 to move to the remote position, taking the movable bridge (s) 30 in order to reach the open position of the contacts.
  • the breaking step is carried out independently pole by pole, at the precise moment of the current passing through zero, that is to say when practically no current flows in the power poles.
  • the control unit 10 uses the signals coming from the current sensors 11 and proportional to the currents flowing in the phases L1, L2, L3.
  • the control unit 10 verifies that the intensity of the current flowing in the phase corresponding to this pole is less than a predetermined maximum threshold, close to zero.
  • control of the actuators by the control unit 10 has the advantage of being able to adapt the level of control of the actuators as a function of the currents flowing in the phases. If a high current, for example a high transient current or a current close to short-circuit, is measured by the current sensors 11 in one or more phases, the control unit 10 is then capable accentuate the controls of the force actuators and regulate the position of the approach actuator to maintain good contact pressure in the poles.
  • a high current for example a high transient current or a current close to short-circuit
  • each pole of the switch device has only one movable contact 31 'placed at one end of a movable bridge 30' and cooperating with a fixed contact 41 'placed on a fixed conductor 40 ', for example downstream.
  • the other end of the movable bridge 30 ' is articulated with a fixed conductor 33', for example upstream.
  • a force actuator 42 ′ of piezoelectric type, is disposed between a fixed base of the switching device and the fixed conductor 40 ′ so as to allow the establishment of the contact pressure between the fixed contact 41 ′ and the contact mobile 31 ', when a voltage is applied to the piezoelectric element 42'.
  • the movable bridge 30 ' is linked with the movable part 21' of an approach actuator 20 'by means of a mechanical member 23'. The operation of this variant is equivalent to that described above.

Landscapes

  • Driving Mechanisms And Operating Circuits Of Arc-Extinguishing High-Tension Switches (AREA)
  • Relay Circuits (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Control Of Linear Motors (AREA)

Abstract

L'invention concerne un appareil électrique interrupteur dont chaque pôle de puissance comporte un pont mobile (30) muni d'au moins un contact mobile (31a, 31b) qui coopère avec au moins un contact fixe (41a, 41b) du pôle entre des positions ouverte et fermée. L'appareil interrupteur comporte au moins un actionneur d'approche (20) - bistable ou de type Voice Coil - agissant sur le(s) pont(s) mobile(s) (30) de façon à permettre l'éloignement et le rapprochement entre le ou les contacts mobiles (31a, 31b) du pont mobile (30) et le ou les contacts fixes (41a, 41b), et chaque pôle comporte un actionneur d'effort (42) - piézoélectrique - permettant l'établissement de la pression de contact ou la coupure de contact, sans l'aide d'organe de rappel mécanique.

Description

Appareil électrique à actionneur piézoélectrique piloté.
La présente invention se rapporte à un appareil électrique interrupteur de puissance, monopolaire ou multipolaire, de type relais, contacteur ou contacteur/disjoncteur, dont les mouvements de fermeture et d'ouverture entre contacts mobiles et contacts fixes sont effectués par un actionneur d'approche et un actionneur d'effort. L'invention concerne également un procédé de fermeture et d'ouverture des contacts d'un tel appareil interrupteur. Un appareil électrique interrupteur de type relais, contacteur ou contacteur/disjoncteur est un appareil usuellement utilisé pour effectuer la commutation électrique d'une charge de puissance, comme par exemple un moteur. Pour cela, il comporte habituellement, pour chaque pôle de puissance, un pont mobile entraîné par un actionneur constitué généralement d'un électroaimant commun aux différents pôles et muni d'un ressort de rappel. Le pont mobile porte un contact mobile en simple coupure, ou deux contacts mobiles en double coupure, coopérant avec un, respectivement deux, contact(s) fixe(s), de façon à interrompre ou assurer le passage du courant électrique dans les pôles de puissance. De plus, pour obtenir une pression de contact satisfaisante, on utilise habituellement des ressorts de pression de contacts agissant sur les contacts mobiles.
La commande de l'actionneur peut provenir d'un ordre manuel d'un opérateur ou d'un ordre émis par un automatisme de commande. L'instant d'apparition de ces ordres est alors évidemment désynchronisé de l'intensité du courant passant dans les différents pôles de puissance de l'appareil interrupteur à cet instant. Donc, lors du mouvement d'ouverture correspondant à la séparation entre les contacts fixes et mobiles, un courant électrique important peut circuler dans les pôles créant ainsi, de façon connue, un arc électrique de coupure entre les contacts fixes et mobiles. Cet arc de coupure nécessite une chambre de coupure dans l'appareil et accélère à terme l'usure des pastilles de contacts déposées sur les contacts fixes et mobiles. Pour atténuer cet inconvénient, l'électroaimant comporte par exemple un organe de rappel, tel qu'un ressort de rappel, suffisamment important pour avoir une séparation la plus rapide possible entre contacts fixes et mobiles. Cependant, lors du mouvement inverse de fermeture correspondant au rapprochement entre les contacts fixes et mobiles, il faut alors vaincre cet effort de rappel ce qui nécessite de renforcer la taille et la puissance de l'électroaimant. Un premier but de l'invention est de pouvoir assurer la coupure entre les contacts fixes et mobiles des pôles d'un appareil interrupteur au moment où le courant électrique alternatif circulant dans ces pôles est pratiquement nul. On réduira ainsi l'arc électrique généré à la coupure ce qui diminuera avantageusement l'usure des pastilles de contacts. Cela se traduira aussi par une diminution des manifestations extérieures des coupures et une simplification de la chambre de coupure.
Un deuxième but de l'invention est de pouvoir supprimer les organes de rappel mécaniques existants dans un tel appareil interrupteur. Ceci permettra de réduire avantageusement la taille des actionneurs pour un courant nominal donné. On obtiendra alors un appareil interrupteur de taille plus réduite, plus simple de conception, consommant moins d'énergie et dont les contacts s'useront moins rapidement.
Pour cela, l'invention décrit un appareil électrique interrupteur servant à la commutation d'une charge et comprenant un ou plusieurs pôles de puissance, chaque pôle comportant un pont mobile muni d'au moins un contact mobile qui coopère avec au moins un contact fixe du pôle entre des positions ouverte et fermée. L'appareil interrupteur comporte un actionneur d'approche agissant sur le(s) pont(s) mobile(s) de l'appareil interrupteur de façon à permettre l'éloignement et le rapprochement entre contacts mobiles et contacts fixes. Chaque pôle comporte un actionneur d'effort permettant l'établissement de la pression de contact ou la coupure de contact entre le ou les contacts mobiles du pont mobile et le ou les contacts fixes du pôle, sans l'aide d'organe de rappel mécanique.
Selon une caractéristique, l'actionneur d'approche est constitué par un actionneur linéaire électromagnétique à commande électrique ou par un actionneur de type Voice Coil.
Selon une autre caractéristique, l'actionneur d'effort d'un pôle comporte au moins un élément piézoélectrique agissant sur le(s) contact(s) fixe(s) du pôle.
Selon une autre caractéristique, l'appareil interrupteur comprend des moyens de mesure du courant circulant dans le ou les pôles reliés à une unité de commande électronique capable de piloter le ou les actionneurs d'approche et le ou les actionneurs d'effort. Grâce à des moyens de détermination de position, cette unité de commande permettra une meilleure maîtrise de la dynamique (position, vitesse, effort) pour un fonctionnement optimal de l'appareil interrupteur : suppression des rebonds, pression de contact régulée en fonction du courant circulant dans le pôle, diagnostic de l'usure des pastilles.
L'invention concerne également un procédé de commutation d'un pôle dans un appareil électrique interrupteur. Le procédé se caractérise par le fait que le mouvement de fermeture des contacts comprend une étape d'approche permettant le rapprochement du pont mobile vers le ou les contacts fixes à l'aide d'un actionneur d'approche et comprend une étape de contact permettant l'établissement d'une pression de contact entre contacts mobiles et contacts fixes du pôle à l'aide d'un actionneur d'effort. Le procédé se caractérise aussi par le fait que le mouvement d'ouverture des contacts comprend une étape de coupure permettant la séparation entre contacts mobiles et contacts fixes du pôle à l'aide de l'actionneur d'effort et comprend une étape d'éloignement du pont mobile à l'aide de l'actionneur d'approche. Pour éviter la présence d'arc électrique au niveau du pôle, l'étape de coupure n'est effectuée que lorsque le courant électrique circulant dans le pôle est inférieur à un seuil prédéterminé, juste avant le passage au zéro de courant.
D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit en se référant à un mode de réalisation donné à titre d'exemple et représenté par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente un exemple simplifié de réalisation d'un pôle de contacts double coupure dans un appareil interrupteur selon l'invention, en position ouverte, la figure 2 montre l'exemple de la figure 1 après l'étape d'approche, la figure 3 montre l'exemple de la figure 1 en position fermée, - la figure 4 représente un deuxième exemple de réalisation d'un pôle de contacts double coupure, la figure 5 représente un exemple de réalisation d'un pôle de contacts simple coupure, la figure 6 détaille un schéma fonctionnel de commande des actionneurs d'un appareil interrupteur selon l'invention.
Un appareil électrique interrupteur de puissance, de type relais, contacteur ou contacteur/disjoncteur comporte un ou plusieurs pôles de puissance. Il est chargé de commander électriquement une charge électrique, comme un moteur, une résistance ou autres. Dans l'exemple de la figure 6, l'appareil interrupteur comporte trois pôles de puissance correspondant aux trois phases L1 ,L2,L3 d'un courant alternatif, pour la commande d'un moteur M. En référence aux figures 1 à 3, un pôle de puissance dispose d'un pont mobile
30 qui porte deux contacts mobiles 31 a, 31b reliés électriquement entre eux. Le pôle comprend deux conducteurs de puissance 40a,40b, le conducteur 40a correspondant, par exemple, à un conducteur amont et le conducteur 40b correspondant à un conducteur aval de l'appareil interrupteur. Ces deux conducteurs 40a,40b portent chacun à leur extrémité un contact fixe respectivement 41a,41b qui viennent en contact avec un des contacts mobiles respectivement 31 a, 31 b, lorsque le pont mobile 30 est dans une position fermée permettant la circulation d'un courant électrique entre les conducteurs amont 40a et aval 40b. Il est connu que l'extrémité des conducteurs amont 40a et aval 40b puisse former une boucle de façon à diminuer la répulsion des contacts en cas de courant de forte intensité.
Le pont mobile 30 est solidaire d'un organe mécanique 23, tel qu'un doigt, un poussoir ou autre, qui est lui-même entraîné mécaniquement par la partie mobile 21 d'un actionneur d'approche 20. Les détails d'une telle liaison mécanique sont classiques dans des contacteurs ou contacteurs/disjoncteurs et ne sont donc pas représentés dans les figures du présent document. L'actionneur d'approche 20 est chargé d'effectuer les mouvements de la course d'approche et de la course d'éloignement du pont mobile, entre la position ouverte (voir figure 1 ) et une position intermédiaire (voir figure 2) où les contacts fixes 41a,41 b et mobiles 31a,31 b sont proches mais séparés les uns des autres, comme détaillé ci-après. Chaque pôle de puissance comporte également un actionneur d'effort 42, chargé d'effectuer les mouvements de la course d'écrasement des contacts, c'est-à- dire chargé d'établir la pression de contact ou la coupure entre les contacts fixes 41a,41b et mobiles 31 a, 31 b du pôle, entre la position intermédiaire (voir figure 2) et la position fermée (voir figure 3), comme détaillé ci-après. Selon une caractéristique de l'invention, l'actionneur d'effort 42 est constitué par un ou plusieurs éléments piézoélectriques 42a,42b,42' déformables.
Les éléments piézoélectriques sont déjà connus et possèdent la particularité de se déformer en augmentant légèrement de volume, sous l'action d'une tension électrique. Cette déformation est proportionnelle à la valeur de la tension qui leur est appliquée et est réversible lorsque la tension disparaît. De tels éléments sont donc bistables et ne nécessitent pas d'organe de rappel mécanique pour revenir en position initiale. Ils ont l'avantage de ne consommer que très peu de courant, mais d'engendrer néanmoins une force élevée lors de leur augmentation de volume dans un temps de réponse très rapide. De plus, ils évitent d'utiliser des pièces en mouvement et n'engendrent donc pas d'usure.
Dans une première variante représentée aux figures 1 à 3, un pôle de puissance comporte deux éléments piézoélectriques 42a, respectivement 42b, sont placés entre un socle fixe de l'appareil interrupteur et l'extrémité des conducteurs de puissance 40a, respectivement 40b, portant les deux contacts fixes 41a, respectivement 41 b. Si on leur applique une tension électrique, les éléments piézoélectriques 42a,42b vont augmenter de volume créant ainsi des forces F2a,F2b (voir figure 3) qui vont provoquer une légère déformation de la boucle faite par les conducteurs métalliques 40a,40b et donc un déplacement des contacts fixes 41a,41 b en direction des contacts mobiles 31a,31b. Si le pont mobile 30 est dans la position intermédiaire de la figure 2, ce déplacement va alors être suffisant pour que les contacts fixes 41a,41b viennent se plaquer et exercer une pression sur les contacts mobiles 31 a, 31 b pour donner la position fermée de la figure 3. Typiquement, l'ordre de grandeur du déplacement ainsi provoqué est inférieur ou égal à 1 mm. Quand la tension appliquée aux éléments piézoélectriques 42a,42b disparaît, ceux-ci reprennent leur forme initiale ce qui entraîne une disparition des forces F2a,F2b et donc une séparation des contacts fixes et mobiles et un retour à la position intermédiaire de la figure 2.
Dans une seconde variante représentée à la figure 4, les éléments piézoélectriques 42a,42b sont positionnés sur le pont mobile 30 et agissent sur les contacts mobiles 31 a, 31 b. Le pont mobile 30 peut comporter un conducteur métallique 33 reliant les contacts mobiles 31a,31b entre eux. Ce conducteur 33 est suffisamment souple pour que, lorsqu'une tension est appliquée aux éléments piézoélectriques 42a,42b, leur augmentation de volume puisse générer une légère déformation du conducteur 33 et donc un mouvement des contacts mobiles 31 a, 31 b vers les contacts fixes 41 a,41 b. Cependant, cette variante conduit à une augmentation du poids total du pont mobile 30.
Préférentiellement, l'appareil interrupteur comporte un seul actionneur d'approche 20 pour l'ensemble des pôles. La partie mobile 21 de cet actionneur 20 entraîne donc l'ensemble des organes mécaniques 23 des différents pôles. Suivant un autre mode de réalisation, l'appareil interrupteur pourrait comporter un actionneur d'approche 20 distinct pour chaque pôle. Cette seconde solution serait plus souple d'utilisation, chaque pôle pouvant être alors commandé individuellement par des actionneurs plus petits, bien que pouvant être plus encombrante.
L'actionneur d'approche 20 est un actionneur électromagnétique à commande électrique, par exemple un électroaimant linéaire bistable. Dans ce cas, la partie mobile de l'actionneur est un noyau mobile 21 , tel qu'un noyau plongeur en matériau magnétique, entouré d'une carcasse fixe 22 portant un bobinage parcouru par un courant de commande. L'actionneur d'approche 20 agit sur les ponts mobiles 30 (ou sur le pont mobile 30 s'il existe un actionneur d'approche par pôle ou si l'appareil interrupteur ne comporte qu'un pôle), de façon à permettre l'éloignement et le rapprochement entre les contacts fixes et les contacts mobiles. Quand le bobinage de la carcasse fixe 22 reçoit une commande d'éloignement, le noyau mobile 21 se déplace vers une position d'éloignement, correspondant à la position ouverte des contacts de pôles telle que représentée en figure 1. Quand le bobinage de la carcasse fixe 22 est parcouru par un courant de commande correspondant à la commande d'approche, cela engendre une force électromagnétique F1 sur le noyau mobile 21 qui se déplace alors vers une position d'approche, correspondant à la position intermédiaire des contacts de pôles telle que représentée en figure 2. Dans cette position intermédiaire, les contacts fixes et mobiles sont proches les uns des autres mais ne se touchent pas.
Selon l'invention, l'actionneur d'approche 20 peut également être un actionneur linéaire de type Voice Coil dans lequel le noyau mobile comporte une bobine, parcourue par un courant de commande, qui se déplace à l'intérieur d'une culasse fixe comportant un aimant permanent. Un tel actionneur possède en effet un temps de réponse faible et une dynamique très rapide intéressante dans la présente application. Enfin, on pourrait aussi envisager un électroaimant rotatif muni d'un mécanisme classique permettant de transformer un mouvement rotatif en mouvement linéaire.
Avantageusement, l'actionneur d'approche 20 ne nécessite donc pas l'emploi d'organes de rappel, du type ressort de rappel, pour ramener le noyau mobile 21 dans une position initiale déterminée. L'actionneur 20 est régulé en vitesse et en position par une unité de commande 10 de manière à obtenir une course d'approche rapide et un positionnement stable. Cette régulation en position est particulièrement importante pour maintenir le pont mobile 30 en position fermée, car lorsque les éléments piézoélectriques 42a,42b génèrent les forces F2a,F2b, il faut obligatoirement que ces forces F2a,F2b soient compensées par la force F1 générée par l'actionneur d'approche 20 pour maintenir une bonne pression entre contacts fixes et mobiles.
En référence à la figure 6, l'appareil interrupteur comporte une unité de commande électronique 10 qui est dotée d'une unité de traitement, comme un microprocesseur ou un microcontrôleur, et d'une mémoire, et qui est reliée à des moyens de mesure de courant 11 de l'appareil interrupteur, tels que des capteurs de courant, capables de délivrer des signaux proportionnels aux courants circulant dans les phases L1 ,L2,L3. L'unité de commande 10 reçoit également un ordre de pilotage extérieur 12 de fermeture ou d'ouverture qui est issu soit directement d'une commande utilisateur, soit d'un ordre provenant d'un automatisme par exemple. En fonction de ces informations, l'unité de commande 10 est capable d'envoyer des commandes appropriées à l'actionneur d'approche 20 et aux actionneurs d'effort 42 des différents pôles.
Par ailleurs, l'unité de commande 10 doit être en mesure de connaître en temps réel la position du noyau mobile 21 pour être capable de réguler en position et en vitesse la position de l'actionneur d'approche 20. Pour cela, l'unité de commande 10 comporte des moyens de détermination de position du noyau mobile 21. Dans le cas d'un actionneur d'approche 20 de type Voice Coil ayant peu de variation de réluctance, ces moyens de détermination de position comprennent par exemple un capteur de position du noyau mobile 21 renvoyant une information de position à l'unité de commande 10. Dans le cas d'un actionneur d'approche 20 de type électroaimant linéaire bistable, l'unité de commande 10 ne comporte pas nécessairement de capteur de position car elle est capable d'estimer cette position du noyau mobile 21 à partir des mesures de la tension et du courant circulant dans la bobine et d'un calcul de la variation d'inductance liée à la variation d'entrefer, comme indiqué dans le document FR0200952.
En partant d'une situation initiale où les contacts sont en position ouverte, la commutation d'un pôle se déroule suivant le procédé suivant :
Lorsque l'unité de commande 10 reçoit un ordre de pilotage 12 ordonnant la fermeture des contacts, le procédé de commutation d'un pôle comporte une étape d'approche dans laquelle l'unité de commande 10 envoie une commande d'approche à l'actionneur d'approche 20. La force électromagnétique F1 résultante provoque un déplacement du noyau mobile 21 vers la position intermédiaire. Le procédé de commutation d'un pôle comporte également une étape de contact dans laquelle l'unité de commande 10 envoie une commande d'effort à l'actionneur d'effort 42 du pôle. Sous l'effet de cette commande d'effort, les éléments 42a, respectivement 42b, de l'actionneur d'effort 42 reçoivent une tension entraînant une augmentation de leur volume et créant une force F2a, respectivement F2b, sur les contacts fixes 41a, respectivement 41 b, suffisante pour effectuer la course d'écrasement des contacts et venir plaquer les contacts fixes 41a, respectivement 41b, contre les contacts mobiles 31a, respectivement 31 b. Durant cette étape de contact, comme les forces F2a,F2b et la force F1 sont en opposition, l'unité de commande 10 doit équilibrer les différentes forces en régulant la position du noyau mobile 21 pour éviter qu'il ne se déplace sous l'action des forces F2a,F2b de façon à assurer une pression de contact satisfaisante. Indifféremment, l'étape d'approche et l'étape de contact peuvent se dérouler séquentiellement ou simultanément.
Dans la position intermédiaire transitoire, les contacts fixes et mobiles sont donc suffisamment éloignés pour ne pas permettre l'établissement d'un courant électrique entre eux mais sont suffisamment rapprochés pour que le faible déplacement provoqué durant l'étape de contact vienne plaquer les contacts fixes contre les contacts mobiles.
A la fermeture des contacts on pourrait de plus créer des fonctions de diagnostic sur l'usure des pastilles de contacts, lorsque l'on dispose d'un actionneur d'approche par pôle. Quand l'actionneur d'approche déclenche un mouvement de fermeture à vitesse stable, on détecte grâce aux capteurs de courant 11 l'instant où le courant s'établit dans la phase correspondant au pôle. En suivant l'évolution de cet instant dans le temps, on est alors capable de connaître l'évolution de l'usure des pastilles de contacts.
Inversement, en partant d'une situation initiale où les contacts sont en position fermée, la commutation d'un pôle se déroule suivant le procédé suivant :
Lorsque l'unité de commande 10 reçoit un ordre de pilotage 12 ordonnant l'ouverture des contacts, le procédé de commutation d'un pôle comporte d'abord une étape de coupure dans laquelle l'unité de commande 10 supprime la commande d'effort envoyée à l'actionneur d'effort 42 du pôle. La disparition de la tension appliquée aux éléments 42a, respectivement 42b, de l'actionneur d'effort 42 va engendrer un retour à leur forme initiale, entraînant ainsi la séparation entre les contacts fixes 41a, respectivement 41 b, et les contacts mobiles 31a, respectivement 31 b, et leur retour en position intermédiaire. Une fois cette étape de coupure effectuée, le procédé de commutation d'un pôle comporte une étape d'éloignement durant laquelle l'unité de commande 10 envoie une commande d'éloignement à l'actionneur d'approche 20. Cette commande d'éloignement provoque le déplacement du noyau mobile 21 vers la position d'éloignement, emmenant le(s) pont(s) mobile(s) 30 afin d'aboutir à la position ouverte des contacts.
Avantageusement, l'étape de coupure est effectuée indépendamment pôle par pôle, au moment précis du passage du courant par zéro, c'est-à-dire quand pratiquement aucun courant ne circule dans les pôles de puissance. Pour cela, l'unité de commande 10 utilise les signaux provenant des capteurs de courant 11 et proportionnels aux courants circulant dans les phases L1 ,L2,L3. Pour supprimer la commande d'effort envoyée à l'actionneur d'effort 42 d'un pôle, l'unité de commande 10 vérifie que l'intensité du courant circulant dans la phase correspondant à ce pôle est inférieure à un seuil maximum prédéterminé, proche de zéro. En contrôlant ainsi la quasi absence de courant dans le pôle, on s'assure ainsi que la séparation entre les contacts fixes et mobiles de ce pôle ne générera pas ou très peu d'arc électrique. Compte tenu du déphasage existant entre les courants des pôles de l'appareil interrupteur, le passage du courant par zéro n'est pas simultané et la suppression de la commande d'effort sur les différents pôles surviendra donc à des instants distincts, ce qui justifie l'intérêt d'avoir des actionneurs d'effort distincts par pôle. On peut ainsi garantir que la coupure des contacts de l'appareil interrupteur n'engendrera pas ou très peu d'arc électrique de coupure. L'étape d'éloignement n'est ensuite engagée uniquement lorsque l'étape de coupure dans l'ensemble des pôles de l'appareil interrupteur aura eu lieu.
Par ailleurs, le pilotage des actionneurs par l'unité de commande 10 présente l'avantage de pouvoir adapter le niveau de commande des actionneurs en fonction des courants circulant dans les phases. Si un courant élevé, par exemple un courant transitoire élevé ou un courant proche du court-circuit, est mesuré par les capteurs de courant 11 dans une ou plusieurs phases, l'unité de commande 10 est alors capable d'accentuer les commandes des actionneurs d'effort et de réguler la position de l'actionneur d'approche pour maintenir une bonne pression de contact dans les pôles.
Dans la variante simple coupure de la figure 5, chaque pôle de l'appareil interrupteur ne comporte qu'un contact mobile 31 ' placé à une extrémité d'un pont mobile 30' et coopérant avec un contact fixe 41' placé sur un conducteur fixe 40', par exemple aval. L'autre extrémité du pont mobile 30' est articulée avec un conducteur fixe 33', par exemple amont. Un actionneur d'effort 42', de type piézoélectrique, est disposé entre un socle fixe de l'appareil interrupteur et le conducteur fixe 40' de façon à permettre l'établissement de la pression de contact entre le contact fixe 41' et le contact mobile 31', lorsqu'une tension est appliquée à l'élément piézoélectrique 42'. Le pont mobile 30' est lié avec la partie mobile 21' d'un actionneur d'approche 20' par l'intermédiaire d'un organe mécanique 23'. Le fonctionnement de cette variante est équivalent à celui décrit précédemment.
Il est bien entendu que l'on peut, sans sortir du cadre de l'invention, imaginer d'autres variantes et perfectionnements de détail et de même envisager l'emploi de moyens équivalents.

Claims

REVENDICATIONS
1. Appareil électrique interrupteur servant à la commutation d'une charge électrique et comprenant un ou plusieurs pôles de puissance, chaque pôle comportant un pont mobile (30) muni d'au moins un contact mobile (31 a, 31 b) qui coopère avec au moins un contact fixe (41a,41 b) du pôle entre des positions ouverte et fermée, caractérisé par le fait que : l'appareil interrupteur comporte un actionneur d'approche (20) agissant sur le(s) pont(s) mobile(s) (30) de l'appareil interrupteur de façon à permettre l'éloignement et le rapprochement entre le ou les contacts mobiles
(31a,31 b) du pont mobile (30) et le ou les contacts fixes (41a,41 b), chaque pôle comporte un actionneur d'effort (42) permettant l'établissement de la pression de contact ou la coupure de contact entre le ou les contacts mobiles (31 a, 31b) du pont mobile (30) et le ou les contacts fixes (41a,41b) du pôle, sans l'aide d'organe de rappel mécanique.
2. Appareil électrique selon la revendication 1 , caractérisé par le fait que l'actionneur d'approche (20) est un actionneur linéaire électromagnétique bistable à commande électrique.
3. Appareil électrique selon la revendication 1 , caractérisé par le fait que l'actionneur d'approche (20) est un actionneur de type Voice Coil.
4. Appareil électrique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'il comporte un actionneur d'approche (20) distinct par pôle agissant sur le pont mobile (30) de chaque pôle.
5. Appareil électrique selon la revendication 1 , caractérisé par le fait que l'actionneur d'effort (42) d'un pôle comporte au moins un élément piézoélectrique
(42a,42b) agissant sur le(s) contact(s) fixe(s) (41a,41 b) du pôle.
6. Appareil électrique selon la revendication 1 , caractérisé par le fait que l'actionneur d'effort (42) d'un pôle comporte au moins un élément piézoélectrique (42a,42b) agissant sur le(s) contact(s) mobile(s) (31a,31 b) du pont mobile (30).
7. Appareil électrique selon la revendication 1 , caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens de mesure (11 ) du courant circulant dans le ou les pôles reliés à une unité de commande électronique (10) capable de piloter le ou les actionneurs d'approche (20) et le ou les actionneurs d'effort (42).
8. Appareil électrique selon la revendication 7, caractérisé par le fait que l'unité de commande électronique (10) possède des moyens de détermination de position lui permettant de réguler la position du ou des actionneurs d'approche
(20).
9. Procédé de commutation d'un pôle dans un appareil électrique interrupteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le mouvement de fermeture des contacts comprend une étape d'approche permettant le rapprochement du pont mobile (30) vers le ou les contacts fixes
(41a,41 b) à l'aide d'un actionneur d'approche (20) et comprend une étape de contact permettant l'établissement d'une pression de contact entre le ou les contacts mobiles (31 a, 31 b) du pont mobile (30) et le ou les contacts fixes (41a,41 b) du pôle à l'aide d'un actionneur d'effort (42a,42b).
10. Procédé de commutation d'un pôle selon la revendication 9, caractérisé par le fait que le mouvement d'ouverture des contacts comprend une étape de coupure permettant la séparation entre le ou les contacts mobiles (31 a, 31b) du pont mobile (30) et le ou les contacts fixes (41a,41 b) du pôle à l'aide de l'actionneur d'effort (42a,42b), puis une étape d'éloignement du pont mobile (30) à l'aide de l'actionneur d'approche (20).
11. Procédé de commutation d'un pôle selon la revendication 10, caractérisé par le fait que l'étape de coupure est effectuée lorsque le courant électrique circulant dans le pôle est inférieur à un seuil prédéterminé.
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