EP4341973A1 - Appareils et systèmes de protection électrique comportant un module de coupure intégré - Google Patents

Appareils et systèmes de protection électrique comportant un module de coupure intégré

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Publication number
EP4341973A1
EP4341973A1 EP22731101.6A EP22731101A EP4341973A1 EP 4341973 A1 EP4341973 A1 EP 4341973A1 EP 22731101 A EP22731101 A EP 22731101A EP 4341973 A1 EP4341973 A1 EP 4341973A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
power switch
electrical
electrical contacts
plate
separable
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22731101.6A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Eric Domejean
Jerôme BRENGUIER
Frédéric Court
Christophe Kilindjian
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schneider Electric Industries SAS
Original Assignee
Schneider Electric Industries SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schneider Electric Industries SAS filed Critical Schneider Electric Industries SAS
Publication of EP4341973A1 publication Critical patent/EP4341973A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H71/00—Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
    • H01H71/10—Operating or release mechanisms
    • H01H71/12—Automatic release mechanisms with or without manual release
    • H01H71/123—Automatic release mechanisms with or without manual release using a solid-state trip unit
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/59—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switch and not otherwise provided for, e.g. for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the ac cycle
    • H01H33/596—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switch and not otherwise provided for, e.g. for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the ac cycle for interrupting dc
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    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
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    • H01H9/54—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere
    • H01H9/548—Electromechanical and static switch connected in series
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    • H01H71/04—Means for indicating condition of the switching device
    • H01H2071/048—Means for indicating condition of the switching device containing non-mechanical switch position sensor, e.g. HALL sensor
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    • H01H71/00—Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
    • H01H71/10—Operating or release mechanisms
    • H01H71/12—Automatic release mechanisms with or without manual release
    • H01H71/123—Automatic release mechanisms with or without manual release using a solid-state trip unit
    • H01H2071/124—Automatic release mechanisms with or without manual release using a solid-state trip unit with a hybrid structure, the solid state trip device being combined with a thermal or a electromagnetic trip

Definitions

  • the present invention relates to the technical field of electrical protection devices and systems, such as circuit breakers.
  • Many electrical switching devices of the electromechanical type such as air-break circuit breakers, and in particular miniature circuit breakers (MCB, for "miniature circuit breaker” in English) generally comprise an interrupting chamber.
  • the interrupting chamber is configured to extinguish an electric arc which appears in the air between the electrical contacts of the device when the electrical contacts are separated following a triggering of the device.
  • the interrupting chamber typically comprises a stack of metal plates superimposed one above the other to lengthen and extinguish the electric arc.
  • One or more holes in the casing allow the cut-off gases to be discharged outside the device.
  • Such improved performance is, for example, advantageous in direct current (DC) electrical systems comprising electrochemical storage batteries, for which the electrical protection devices must be capable, in the event of the appearance of an electrical fault, of to interrupt high intensity currents with a very fast reaction time.
  • DC direct current
  • an electrical protection system comprising a housing, connection terminals, separable electrical contacts connected between the connection terminals, a switching mechanism and at least one power switch connected in series with the separable electrical contacts, the separable electrical contacts being movable between an open state and a closed state, the switching mechanism being coupled with the separable electrical contacts to switch the separable electrical contacts to the open state, the electrical protection system further comprising an electronic control circuit coupled with said at least one power switch, the or each power switch comprising a metal heat sink plate connected to an electrode of said power switch, said heat sink plate being thermally connected to the body of said pu switch issance, and wherein the or each power switch is connected in series with the separable electrical contacts between the connection terminals via a conductive plate connected to the heat dissipation plate of said respective power switch.
  • such an electrical protection device may incorporate one or more of the following characteristics, taken individually or in any technically permissible combination:
  • each power switch associated with a pole of the device is mounted on a substrate in the form of a plate integrated in a block, the respective conductive plate of each power switch being mounted on the same side of the substrate of the boc;
  • the system comprises two groups of at least one power switch associated with the same pole of the system which are mounted on the substrate, each at least one power switch and the respective conductive plate of said group being mounted on opposite sides of the substrate;
  • the or each conductive plate covers at least 40% of the area of the corresponding face of the side wall of the housing; - The or each conductive plate extends parallel to the widest walls of the box;
  • the heat dissipation plate is a metal plate natively attached to a ceramic body of the power switch
  • said at least one power switch is a field effect transistor, preferably a MOSFET transistor
  • the or each conductive plate is made of metal
  • the or each metal plate is made mainly of copper or aluminum
  • one of the conductive plates comprises a portion adapted to form an electrical contact, the portion being used as a fixed electrical contact which cooperates with a movable contact of the system to together form said separable electrical contacts;
  • the or each conductive plate is connected to a respective connection terminal of the system.
  • the electrical protective device is a miniature circuit breaker, the width of the case is a multiple of 9mm, and the electrical protective device is an air-break circuit breaker.
  • FIG. 1 is a schematic representation, according to a cross-sectional view, of an electrical protection apparatus in accordance with embodiments of the invention
  • Figure 2 is a functional diagram of the electrical protection device of Figure 1, in the case of a bipolar device
  • Figure 3 is a schematic representation of a first step in a sequence of movements of a switching mechanism of the electrical protection device of Figure 1 when the device is switched to an open state
  • Figure 4 is a schematic representation of a second step of a sequence of movements of a switch mechanism of the apparatus of electrical protection of Figure 1 when the device is switched to an open state
  • Figure 5 is a schematic representation of a third step in a sequence of movements of a switching mechanism of the electrical protection device of Figure 1 when the device is switched to an open state
  • FIG. 6 is a graph representing the evolution over time of the angular position of a control lever
  • FIG. 7 is a schematic representation, according to a perspective view (insert A) and an exploded view (insert B) of a particular embodiment of a part of the protection apparatus of Figure 1.
  • 8 is a functional diagram of the electrical protection device of FIG. 1 according to a first variant in which the device is a single-phase device;
  • Figure 9 is a functional diagram of the electrical protection device of Figure 1 according to a second variant in which the device is a three-phase device;
  • Figure 10 is a functional diagram of the electrical protection device of Figure 1 according to a third variant in which the device is a three-phase device with a neutral line;
  • Figure 11 is a functional diagram of the electrical protection device of Figure 1 according to a fourth variant in which the device is a four-pole device.
  • Figures 1 and 2 schematically represent an electrical protection device 2 according to embodiments of the invention.
  • the electrical protection device 2 is a circuit breaker.
  • device 2 is a miniature circuit breaker.
  • the device 2 comprises a casing 4 inside which are housed at least some of the components of the device 2.
  • the box 4 is preferably made of a rigid and electrically insulating material, such as a thermoformed polymer, for example polyamide PA 6.6, or any other suitable material.
  • housing 4 is a molded plastic housing.
  • the dimensions of the casing 4, and in particular the width of the casing or the form factor of the casing 4, are compatible with the dimensions of the casings of the existing protective devices 4.
  • the width of the case is preferably a multiple of 9mm, for example equal to 9mm, or 18mm, or 27mm.
  • the components of the electrical protection system are housed in the same box 4. However, in certain variants, certain components could be housed in different boxes. What is described here with reference to the device 2 can therefore be generalized to an electrical protection system 2 which can be dissociated from the box 4.
  • the device 2 also comprises connection terminals 6 and 8, separable electrical contacts 10 connected between the connection terminals 6 and 8 and a switching mechanism 12 comprising a control member 14 (also called control lever or control lever in the following).
  • the control lever 14 is for example a pivoting lever accessible from the outside of the housing 4 and intended to be manipulated by a user.
  • the contacts 10 can be formed by the combination of a fixed electrical contact and a movable electrical contact movable relative to the fixed contact, the switching mechanism 12 being coupled to the movable mechanical contact.
  • each electrical contact 10 may comprise a plurality of electrical contact fingers, although other implementations are possible as a variant.
  • the separable electrical contacts are movable between an open state and a closed state. In the open state, the contacts 10 are separated from each other by a volume of ambient air acting as electrical insulation, which prevents the flow of an electric current.
  • the device 2 comprises two pairs of connection terminals 6,8: a first input terminal 6 connected to a first output terminal 8 via a first connection line , and a second input terminal 6 connected to a second output terminal 8 via a second connection line.
  • This example given for illustrative purposes, corresponds to the case of a bipolar device (with two electrical poles, or two electrical phases). However, other examples are possible.
  • switch mechanism 12 is configured to move electrical contacts 10 to an open state in response to a switch command.
  • the switching order can be sent by a trigger or result from an action by a user on the control lever 14.
  • the switching mechanism 12 is a toggle mechanism, such as a switching mechanism analogous or similar to the switching mechanism described in patents EP 2975628 B1 or EP 1542253 B1.
  • the device 2 also comprises an electronic cut-off module 16 which is configured to interrupt an electric current between the connection terminals 6 and 8.
  • the electronic cut-off module 16 is here based on solid-state cut-off components, in particular semiconductor components, such as power transistors.
  • device 2 differs from air-break electromechanical protective devices which include an interrupting chamber (arc extinguishing chamber).
  • the electronic cut-off module 16 is received in a dedicated housing of the casing 4.
  • said housing corresponds to the space normally occupied by the interrupting chamber as well as by means of detecting an electrical fault (of the so-called thermal and magnetic type), such as a bimetallic strip and a coil.
  • the device 2 thus comprises at least one power switch 22 connected in series with the separable electrical contacts 10.
  • the device 2 comprises four power switches 22, identified here by the references T1, T2, T3 and T4.
  • the first connection line comprises two power switches T1 and T2 connected in series with the separable contact between the first terminals 6 and 8.
  • the second connection line comprises two power switches T3 and T4 connected in series with the second separable contact 10 between the second terminals 6 and 8.
  • each of said first and second connection lines corresponds to an electrical phase.
  • the number of power switches may be different, depending on the topology of the device and in particular the number of poles (single-phase, polyphase, with or without a neutral line) but also depending on the current rating of the device.
  • Each power switch can, in practice, be implemented by several components (such as transistors) connected in parallel according to the size of the circuit breaker that one wants to achieve.
  • device 2 which by way of illustration and in no way limiting has a rating of sixteen amps, two pairs of transistors connected in series are used, the transistors of each pair of transistors being connected in parallel.
  • a higher rating for example thirty-two amperes, it is possible to use a greater number of transistors connected in parallel.
  • Each power switch 22 is switchable between an electrically blocking state and an electronically on state.
  • power switches 22 are power transistors.
  • the power switches 22 are MOSFET (“Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor”) transistors.
  • This type of transistor is preferred because it has a low on-state resistance, but also because it remains in the off state when it is at rest (for example when no control signal is sent to the control electrode).
  • IGBT insulated gate bipolar transistors
  • IGCT integrated gate switching thyristors
  • the power switches 22 may be JFET ("Junction Field Effect Transistor") transistors.
  • the operation of the control circuit 24 may have to be modified, to take account of the fact that such JFET transistors are in the on-state when they are at rest.
  • a diode is present in parallel with each of the power switches 22, as shown in Figure 2, although other alternative embodiments are possible. Generally, it is a parasitic diode inherent in the construction of the power switch.
  • the electrical protection device further comprises an electronic control circuit 24 coupled with said at least one power switch 22 (ie, with each power switch 22).
  • the electronic control circuit 24 makes it possible to control each of the power switches 22.
  • the electronic control circuit 24 comprises a processor, such as a programmable microcontroller or a microprocessor.
  • the processor is advantageously coupled to a computer memory, or to any computer-readable data recording medium, which comprises executable instructions and/or software code intended to implement a method for detecting an electrical fault when these instructions are executed by the processor.
  • this method makes it possible to detect an electrical fault such as an overload current fault, a short-circuit fault, a differential current fault, a series (or differential) arc presence fault on the line to be protected , but also overvoltages or undervoltages.
  • an electrical fault such as an overload current fault, a short-circuit fault, a differential current fault, a series (or differential) arc presence fault on the line to be protected , but also overvoltages or undervoltages.
  • the electronic control circuit 24 may comprise a signal processing processor (DSP), or a reprogrammable logic component (FPGA), or a specialized integrated circuit (ASIC), or any equivalent element, or any combination of these elements.
  • DSP signal processing processor
  • FPGA reprogrammable logic component
  • ASIC specialized integrated circuit
  • the device 2 may comprise one or more protection elements 26 against overvoltages, connected in parallel with the power switch(es) 22, in order to protect the power switches 22 against overvoltages, in particular in the event of the appearance of an electric arc during the separation of the contacts 10.
  • the protection elements 26 are clippers or varistors (MOV, for “Metal Oxide Varistor” in English) or Transil diodes (TVS, for “Transient Voltage Suppression” in English).
  • MOV Metal Oxide Varistor
  • TVS Transil diodes
  • the device 2 includes an internal electrical power supply unit 28 configured to electrically power the electrical control circuit, preferably from the electrical current that flows between the connection terminals 6, 8 when the device 2 is in operation.
  • the internal power supply 28 may include a battery, or any other means allowing an autonomous power supply.
  • the electronic control circuit 24 is configured to switch the power switches 22 to an open state when an electrical fault is detected by a measurement circuit 30.
  • the device 2 comprises current sensors 30, here coupled to each connection line.
  • electrical faults can be overcurrents or short circuits, but also other electrical faults such as a differential current fault, or a series (or differential) arc presence fault on the line to be protected, or even overvoltages or undervoltages.
  • the switching of the device 2 during a trip (i.e., following the detection of an electrical fault requiring the immediate interruption of the electric current) can be carried out by the combined action of the switching mechanism 12 with the switches of power 22.
  • the device 2 also comprises a synchronization system 32 aimed at synchronizing the switching of the power switches 22 with the opening of the contacts 10, with the aim of avoiding the appearance of arcs electrical when the electrical contacts 10 are opened.
  • the apparatus 2 comprises a sensor 34 configured to measure a position of the switching mechanism 12.
  • the sensor is configured to measure the position of the control lever 14 of the switching mechanism 12, or of a part attached to the control lever 14.
  • sensor 34 is connected to an input of electronic control circuit 24 so as to send a measurement signal.
  • the sensor 34 can be placed opposite a part of the switching mechanism 12 (for example opposite the mechanical part carrying the control lever 14). In other words, the sensor 34 can be coupled to the control lever 14.
  • the senor 34 can be configured to emit a binary signal, taking a first value when the switching mechanism 12 is in a position in which the electrical contacts 10 are closed, and taking a second value (different from the first value) when the switching mechanism is in a position preceding the position from which the electrical contacts 10 begin to separate (when the opening movement of the lever continues).
  • this position may correspond to a specific angular position threshold of the control lever 14.
  • the position threshold may correspond to an angle of 20° with respect to the original position of the control lever 14.
  • the angle may be chosen differently as a variant. In practice, the angle is preferably less than or equal to 20°, or 10°, or 5°.
  • sensor 34 is an optical sensor.
  • the senor 34 is an optical obstruction sensor, for example arranged such that the light signal received by a sensitive element of the sensor 34 is obstructed when the control lever 14 reaches a certain position, for example when the control lever 14 has started to move relative to the closed position.
  • the senor 34 can be made differently and can thus be a mechanical sensor, or an inductive sensor with external field compensation.
  • sensor 34 is housed in the same housing as switching mechanism 12 and control member 14. Alternatively, however, sensor 34 may be housed in a first housing and the control member control 14, as well as at least a part of the switching mechanism 12, are housed in another casing.
  • control members for each pole are mechanically interconnected.
  • this system it may be advantageous to put a single sensor for the entire protective device, rather than using one sensor for each pole. This single sensor can then be moved to another box.
  • the electronic control circuit 24 is configured to switch the power switch or switches 22 to the blocking state when the sensor 34 detects that the switching mechanism is moving towards the open position, and more particularly before the electrical contacts 10 separate.
  • the apparatus 2 may include an auxiliary sensor (not shown), configured to measure a position of the switching mechanism, the auxiliary sensor being configured to operate in conjunction with the optical sensor 34.
  • auxiliary sensor configured to measure a position of the switching mechanism
  • This arrangement is particularly applicable to large circuit breakers, in order to improve the reliability of the detection of the position of the switching mechanism 12.
  • This auxiliary sensor can however be omitted.
  • the synchronization device 32 may comprise an actuator 36 configured to set the switching mechanism 12 in motion.
  • the actuator 36 comprises for example an electric motor, or an electromagnetic actuator comprising a movable mechanical part movable under the action of an electromagnetic actuator.
  • actuator 36 is controlled by electronic control circuit 24 and can thus control the opening of electrical contacts 10 via mechanism 12.
  • an external trigger external to the electronic control circuit 24 can be connected to an input of the electronic control circuit 24 in order to transmit a triggering order and thus trigger a triggering of the device 2 via of the electronic control circuit 24.
  • the tripping order issued by the external trip unit can be transmitted electronically, by a wired link or by a radiofrequency signal.
  • the external trigger may be mechanically coupled to the switching mechanism 12 or to the electronic control circuit 12 (for example, via an electromechanical sensor).
  • an auxiliary power supply 38 may be used to provide power to the control electronics 24.
  • an auxiliary power supply 38 external to device 2 is connected to terminals A1, A2 of device 2, said terminals being connected to an electrical distribution circuit (such as a power rail).
  • Figures 3, 4 and 5 schematically represent a simplified version 50 of the switching mechanism 12 in different successive configurations over time. More specifically, Figure 3 corresponds to the closed state of the switching mechanism 12, in which the electrical contacts 10 are in contact (in the closed state) and allow the flow of a current. Figure 5 corresponds to an open state of the switching mechanism 12, in which the electrical contacts 10 are separated from each other. Figure 4 corresponds to an intermediate state during a transition from the closed state to the open state.
  • the switching mechanism 12 comprises: the control lever 14, which has the form of a rotary part 52 mounted in rotation about an axis of rotation integral with the casing 4 (the hatched areas visible on FIG. 3, one of which bears the reference 51, represent anchor points that are immobile with respect to the casing 4);
  • a trigger hook 56 rotatably mounted and coupled to part 52 via transmission rod 54; a plate 53, rotatably mounted around an axis of rotation secured to the housing 4 and coupled to the hook 56;
  • a trigger bar 58 coupled to the plate 53 and the hook 56;
  • a contact carrier 60 which carries the movable electrical contact 10 and which cooperates with the fixed electrical contact 61, the contact carrier being mounted in rotation around an axis of rotation integral with the housing 4;
  • - stops 62 which limit the rotational movement of the control lever 52, for example respectively in the open and closed positions.
  • the axes of rotation are here arranged parallel, for example by being all arranged perpendicular to a side wall of the housing 4.
  • the trigger bar 58 is rotated, which releases the hook 56 and rotates the plate 53 and the contact carrier 60 towards the open position.
  • the movement of the plate triggers a rotational movement of the part 52 via the transmission rod 54.
  • the senor 34 is arranged such that, in the open state, at least a part of the part 52 is placed in front of the sensor 34, so as for example to mask at least a sensitive part of the sensor. 34.
  • part 52 in the closed state, part 52 remains away from sensor 34 and does not mask the sensitive part of sensor 34.
  • the position from which the sensitive part of sensor 34 is masked by part 52 may correspond at an angular position threshold.
  • the angular position threshold is reached at the latest just before the electrical contacts 10 begin to separate, as illustrated in FIG. 4 and in FIG. 6.
  • the chronogram 70 represents the evolution, as a function of time (denoted “t”, on the abscissa axis):
  • the angle of the control lever 14 until reaching a threshold (materialized here by the first dotted vertical line on the curve 74) for which the sensor changes state.
  • the electrical control circuit 24 triggers the switching of the power switches 22 to their blocking state, in order to interrupt the flow of current.
  • the electrical contacts 10 are finally separated by the switching mechanism 12, which then reaches the end of the opening movement.
  • Such operation can be advantageously obtained with specific switching mechanisms, such as toggle switching mechanisms, such as those described above, in which the relative movement of the parts of the mechanism is configured to cause the appearance of an angular shift between the rotation of the control lever 14 and the effective opening of the contacts 10, for example to briefly delay the separation of the contacts 10 during the opening trip.
  • specific switching mechanisms such as toggle switching mechanisms, such as those described above, in which the relative movement of the parts of the mechanism is configured to cause the appearance of an angular shift between the rotation of the control lever 14 and the effective opening of the contacts 10, for example to briefly delay the separation of the contacts 10 during the opening trip.
  • This offset makes it possible to compensate for a reduction in play when the electrical contacts are driven in, caused by the gradual wear of the electrical contacts throughout the life of the device 2.
  • control circuit 24 takes advantage of this shift so that the switching of the power switches (caused by the start of rotation of the control lever 14, as detected by the sensor 34) anticipates the separation electrical contacts 10.
  • the electronic control circuit 32 and the sensor 34 make it possible to synchronize the action of the power switches 22 and of the switching mechanism 12, in particular to order the switching of the power switches 22 to their blocking state before the electrical contacts 10 are separated. This prevents the appearance of an electric arc between the electrical contacts 10 and thus makes it possible to interrupt the current in a safe manner.
  • the separable electrical contacts 10 make it possible to create an electrical insulation in the air and prevent an electrical current from circulating again between the terminals 6 and 8 after the device 2 has been triggered.
  • the control lever 14 To close the contacts 10 (i.e. to switch the device 2 back to the closed state), the control lever 14 is moved to the corresponding position by a user. This movement, via the rod 54, causes the rotation of the hook 56 which hooks onto the trigger bar 58. The rod 54 then drives the plate 53 in rotation until the contacts 10 close.
  • housing 4 analogous or similar, or even identical, to the housings of the electromechanical protection devices makes it possible to ensure compatibility with the previous ranges.
  • device 2 can be mounted in an electrical panel as a replacement for a previous generation protection device without having to need to modify everything else in the installation. This also allows the use of already existing auxiliary devices.
  • optical sensor 34 is advantageous, because such a sensor has a small size and can be easily integrated into the device 2, which makes it possible to produce a compact device 2.
  • An optical sensor also has the advantage of being precise and of not being sensitive to surrounding electromagnetic disturbances (and also of not being the source of electromagnetic disturbances that could harm the operation of the installation or device 2 himself).
  • FIG. 7 represents an advantageous but not obligatory example of construction of the electronic cut-off module 16.
  • At least part of the electronic cut-off module 16 is constructed in the form of an integrated block 80, or even of several such integrated blocks 80.
  • the or each integrated block 80 comprises the power switches 22 associated with a pole of the device (i.e. with one of said electrical conduction lines, itself associated with an electrical phase of the device 2).
  • the integrated module 80 comprises a substrate 82 in the form of a plate, for example made of an electrically insulating material.
  • it may be a composite material, such as epoxy resin reinforced with fiberglass, commonly noted under the reference "FR4".
  • At least some of the power switches 22 are mounted on the substrate 82, in particular on the main faces of the substrate 82.
  • the transistors T1 and T2, associated with the first connection line are mounted on opposite faces of the substrate 82 as visible on the insert B) of FIG. 7, these switches bearing here the numerical reference 84.
  • each transistor T1, T2 illustrated in FIG. 2 can be implemented in practice by a group of two transistors connected in parallel, depending in particular on the caliber of device 2 and the properties of the transistors used.
  • the group of two transistors connected in parallel are used to implement the "transistor T1", these two transistors being mounted on a first face of the substrate 82.
  • a group of two other parallel-connected transistors are used to implement "transistor T2", these two other transistors being mounted on a second face of substrate 82, the second face of substrate 82 being opposite the first face of substrate 82.
  • the transistors T3, T4 associated with the second connection line are mounted on opposite faces of the substrate 82 of a second integrated block 80, this second integrated block 80 being connected in parallel with the present integrated block 80 and being identical or at least similar to the present integrated block 80.
  • This second block 80 is for example mounted alongside the first block 80.
  • the or each integrated block 80 is received in said dedicated housing of the box 4 mentioned above.
  • each power switch 22 may include a heat dissipation plate 86, also called sole, which surmounts the body of the power switch 22.
  • the heat dissipation plate 86 is thermally connected to the body of said power switch. Powerful.
  • heat sink plate 86 is a metal plate natively attached to the ceramic body of power switch 22 by the manufacturer of power switch 22.
  • components of the electronic control circuit 24 can also be mounted on one or on both main faces of the substrate 82.
  • one or more of the current sensors 30 associated with a connection line can be integrated into the corresponding module 80 and mounted on the substrate 82.
  • Block 80 also comprises two electrically conductive plates 90 and 92, each plate 90, 92 being mounted on each face of substrate 82 so as to cover this substrate 82. It is understood that in the assembled position, plates 90 and 92 also cover the components mounted on the faces of the substrate 82.
  • the plates 90 and 92 are made of metallic material, and are called “metallic plates” in what follows. However, alternatively, other materials or compositions of materials can be used as long as the plates 90 and 92 are electrically conductive.
  • each metal plate 90, 92 is in contact (preferably in direct contact) with the metal plate 86 of the corresponding power switches (i.e., power switches 84 placed under this metal plate 90, 92).
  • each metal plate 90, 92 is electrically and thermally connected to the corresponding power switches 84.
  • This arrangement makes it possible to use the plates 90 and 92 both as a heat sink and as an electrically conductive element allowing the connection of the power switches 22. Indeed, when the power switch 22 is a MOSFET transistor, the metal sole 86 is connected to the drain. Thus, the sole 86 can be crossed by the power current flowing in the connection line of the device 2. The metal plates 90 and 92 are then connected respectively to the terminal 8 and to the terminal 6 of the corresponding connection line.
  • the thermal energy released by the switches 22 is here dissipated towards the outside of the device 2 by conduction along the electrical conductors.
  • the thermal energy is mainly dissipated by conduction and by radiation by the conductive parts towards the outside of the device 2.
  • heat dissipation phenomena by air convection can also be used, provided that ventilation openings compatible with the electrical insulation criteria are provided, such as slots or ventilation openings.
  • the entire current flow chain inside the circuit breaker is concerned, i.e. all the electrical conductors, electrical supply cables and electrical conduction lines that allow current to flow from upstream to downstream of the device 2.
  • connection pads of the circuit breaker are compatible with the maximum temperature of the cable insulation, this temperature being able for example to reach a maximum of 90°C at the level of the connection pads connected with copper cables provided with sheaths in PVC.
  • the metal plates 90 and 92 are made mainly of copper, which has good electrical and thermal conduction properties.
  • metal plates 90 and 92 materials which have undergone a surface treatment, such as a tinned plate, or a plate partially or completely covered with a thin layer of silver, to improve certain properties such as contact resistances between power switches and metal plates.
  • Surface treatment can also improve dissipation by radiation such as, for example, applying paint or carrying out anodization.
  • the metal plates 90 and 92 are oversized in order to increase the dissipation of thermal energy mainly by conduction but also by radiation and convection. This oversizing also contributes to reducing the losses by Joule effect.
  • each metal plate 90 and 92 extend parallel to the widest walls of the casing 4.
  • these are the side walls of the casing 4 of the device 2, these walls being oriented vertically when the device 2 is mounted in an electrical cabinet or an electrical panel.
  • each metal plate 90, 92 covers at least 40% of the area of the corresponding face of the side wall of the casing 4.
  • each of the plates 90 and 92 is preferably less than or equal to 5 mm and, even more preferably, between 1 mm and 3 mm.
  • each transistor dissipating a thermal power of 1 watt, for the case of a monopolar device with a current rating of 16 amps, it was found that a thickness of 1.0 mm of copper for the plates 90 and 92 makes it possible to obtain an internal temperature of 114.6°C, while a thickness of 3mm of copper for plates 90 and 92 reduces the internal temperature to 105°C.
  • the substrate 82 may include fixing holes 88 which, in the assembled configuration, are aligned with corresponding holes drilled in the metal plates 90 and 92.
  • one of the metal plates (in this case the metal plate 92) comprises a folded portion 94 folded with respect to the rest of the metal plate 92, for example by extending perpendicularly to the plane of said plate metal from an edge of said metal plate.
  • the portion 94 is bent at 90 degrees relative to the metal plate to move towards the pivoting of the movable electrical contact and thus form a fixed contact portion.
  • the folded portion 94 is used here as a fixed electrical contact which cooperates with the moving contact 10 to together form said separable electrical contacts, as illustrated in FIG. 1, and thus perform the galvanic isolation function when the contacts are open.
  • portion 94 could be replaced by a contact portion having a different shape.
  • the contact portion could be formed directly on an edge or edge of the metal plate, without having any folded protrusion.
  • the folded over portion 94 can be omitted.
  • the contact portion can also be omitted, in particular when the plates 90 and 92 and more generally the block 80 are placed in a box separate from the box comprising the movable electrical contact, as for example in the case mentioned above where the switches of power are housed in a box separate from the box comprising the switching mechanism. This allows for example to put a card and metal plates of larger surfaces.
  • the metal plates 90 and 92 are here brought into contact via a surge limiter element 96, which corresponds to a protection element 26 against overvoltages described with reference to Figure 2.
  • the surge limiter element 96 is electrically connected to the metal plates 90 and 92, for example by means of a tin solder. But, as a variant, other welding or assembly principles can be carried out. For example, element 96 is plated in direct contact with metal plates 90 and 92 by screwing.
  • the element 96 when the protection element 26 is omitted, the element 96 can be replaced by an electrical conductor.
  • the block 80 can be constructed differently.
  • only one power switch can be used.
  • this single plate is mounted on the side of the substrate 82 which is opposite to the movable electrical contact 10.
  • the embodiments relating to the block 80 and in particular to the plates 90 and 92 can be implemented independently of the previous embodiments, and in particular of the embodiments relating to the control methods of the switches 22 and to the operation of the sensor 34.
  • Block 80 can be constructed with other types of power switches, for example IGBT transistors, SiC MOSFETs, GaN MOSFETs as well as SiC JFET transistors, these examples not being limiting.
  • embodiments relating to block 80 can relate to an electrical protection device 2 comprising a housing 4, connection terminals 6, 8, separable electrical contacts 10 connected between the terminals connection 6, 8, a switching mechanism 12 and at least one power switch 22 connected in series with the separable electrical contacts.
  • the separable electrical contacts 10 being movable between an open state and a closed state, the switching mechanism 12 comprising a control lever 14 and being coupled with the separable electrical contacts 10 to switch the separable electrical contacts to the open state, the electrical protection device further comprising an electronic control circuit 24 coupled with said at least one power switch 22.
  • the electrical protection device 2 further comprises at least one power switch, or even a pair of power switches, such as field-effect transistors T1, T2, and preferably MOSFET transistors, each power switch comprising a metal sole 86 connected to the drain (or more generally to an electrode) of said power switch.
  • a power switch such as field-effect transistors T1, T2, and preferably MOSFET transistors, each power switch comprising a metal sole 86 connected to the drain (or more generally to an electrode) of said power switch.
  • Said metal sole 86 being thermally connected to the body of said power switch, and the power switches are connected in series with separable electrical contacts (capable of forming an insulation in the air, or "air gap") between the connection terminals 6, 8 via metal plates 90, 92 connected (electrically and thermally) to the metal soleplates 86 of the respective power switches.
  • device 2 can be modified for use in a single-phase installation, or in a polyphase installation, as explained above.
  • Figure 8 shows an embodiment of a single-phase 200 device.
  • Device 200 is similar to device 2 described with reference to FIG. 2, except that one of the connection lines is replaced by a neutral conductive line devoid of power switches T3 and T4 (and protection component 26).
  • the elements of the device 200 which are analogous to the corresponding elements of the device 2 bear the same references and are not described in detail, insofar as the above description can be transposed to them.
  • auxiliary power supply 38 For the sake of readability, certain optional elements of the device 2, such as the auxiliary power supply 38, are not represented in FIG. 8, although they could be optionally included in this embodiment.
  • Figure 9 shows one embodiment of a three-phase 300 device.
  • Device 300 is similar to device 2 described with reference to FIG. 2, except that device 300 includes a third connection line connected in parallel with the first connection line and the second connection line between terminals 6 and 8.
  • the third electrical connection line is similar or identical to the first connection line and to the second connection line and comprises at least one of said power switches 22 (here two in number and denoted T5 and T6) and an electrical contact 10 as previously described, connected in series with the power switch(es) 22 by one or more electrical conductors.
  • the third connection line comprises a protection element 26 against overvoltages, connected in parallel with the power switches 22, as previously described.
  • auxiliary power supply 38 certain optional elements of the device 2, such as the auxiliary power supply 38, are not represented in FIG. 9, although they could be optionally included in this embodiment.
  • Figure 10 shows an embodiment of a 400 three-phase (three-pole) appliance with neutral having three electrical connection lines and a neutral line similar to the neutral line of the 200 appliance.
  • the device 400 is similar to the device 300 described with reference to FIG. 9, except that the device 400 additionally comprises a neutral line connected in parallel with the first connection line and the second connection line. between terminals 6 and 8.
  • the elements of the device 400 which are analogous to the corresponding elements of the device 300 bear the same references and are not described in detail, insofar as the above description can be transposed to them.
  • FIG. 11 represents an embodiment of a four-phase (four-pole) device 500 comprising four electrical connection lines similar to the connection lines previously described.
  • Device 500 is similar to device 4 described with reference to FIG. 10, except that device 500 comprises, instead of the neutral line, a fourth connection line connected in parallel to the first line. connection and the second connection line between terminals 6 and 8.
  • the fourth electrical connection line is similar or identical to the first connection line and to the second connection line and comprises at least one of said power switches 22 (here two in number and denoted T7 and T8) and an electrical contact 10 as previously described, connected in series with the power switch(es) 22 by one or more electrical conductors.
  • the fourth connection line comprises a protection element 26 against overvoltages, connected in parallel with the power switches 22, as previously described.
  • the elements of the device 500 which are analogous to the corresponding elements of the device 400 bear the same references and are not described in detail, insofar as the above description can be transposed to them.
  • FIGS. 10 and 11 certain optional elements, such as the auxiliary power supply 38, are not represented in FIGS. 10 and 11, although they could be optionally included in these embodiments.
  • the embodiments and variants considered above can be combined together to create new embodiments.

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Abstract

Un système de protection électrique (2) comporte un boîtier (4), des terminaux de raccordement (6, 8), des contacts électriques séparables (10), un mécanisme de commutation (12) et au moins un interrupteur de puissance (22) connecté en série avec les contacts électriques séparables, le système comportant en outre un circuit électronique de commande (24) couplé avec ledit au moins un interrupteur de puissance, le ou chaque interrupteur de puissance comportant une plaque de dissipation thermique (86) en métal connectée à une électrode dudit interrupteur de puissance, ladite plaque de dissipation thermique étant thermiquement connectée au corps dudit interrupteur de puissance, le ou chaque interrupteur de puissance étant connecté en série avec les contacts électriques séparables entre les terminaux de raccordement par l'intermédiaire d'une plaque conductrice (90, 92) connecté à la plaque de dissipation thermique dudit interrupteur de puissance respectif.

Description

Appareils et systèmes de protection électrique comportant un module de coupure intégré
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne le domaine technique des appareils et systèmes de protection électrique, tels que des disjoncteurs.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
De nombreux appareils de commutation électrique de type électromécanique, tels que des disjoncteurs à coupure dans l’air, et notamment les disjoncteurs miniatures (MCB, pour « miniature circuit breaker » en anglais) comportent généralement une chambre de coupure. La chambre de coupure est configurée pour éteindre un arc électrique qui apparaît dans l’air entre les contacts électriques de l’appareil lorsque les contacts électriques sont séparés suite à un déclenchement de l’appareil.
La chambre de coupure comporte typiquement un empilement de plaques métalliques superposées les unes au-dessus des autres pour allonger et éteindre l’arc électrique. Un ou plusieurs orifices ménagés dans le boîtier permettent aux gaz de coupure d’être rejetés à l’extérieur de l’appareil.
Toutefois, afin d’améliorer les performances de ces appareils de protection, il a été proposé de remplacer la chambre de coupure par un dispositif de coupure électronique comportant des interrupteurs de puissance à base de composants semi-conducteurs.
De telles performances améliorées sont, par exemple, avantageuses dans les systèmes électriques à courant continu (DC) comportant des batteries d’accumulateurs électrochimiques, pour lesquels les appareils de protection électrique doivent être capables, en cas d’apparition d’un défaut électrique, d’interrompre des courants de forte intensité avec un temps de réaction très rapide.
Dans un souci de compatibilité avec les installations existantes, il est souhaitable que ces appareils de protection puissent être contenus dans un boîtier ayant une même taille que les boîtiers des appareils de commutation de type électromécanique.
Il est aussi nécessaire que ces appareils soient capables d’évacuer correctement la chaleur dégagée par les interrupteurs de puissance.
Il existe donc un besoin pour des appareils de protection électrique, tels que des disjoncteurs, à base de composants semi-conducteurs, qui remédient au moins en partie à ces inconvénients.
EXPOSE DE L’INVENTION A cet effet, un aspect de l’invention concerne un système de protection électrique, comportant un boîtier, des terminaux de raccordement, des contacts électriques séparables connectés entre les terminaux de raccordement, un mécanisme de commutation et au moins un interrupteur de puissance connecté en série avec les contacts électriques séparables, les contacts électriques séparables étant déplaçables entre un état ouvert et un état fermé, le mécanisme de commutation étant couplé avec les contacts électriques séparables pour commuter les contacts électriques séparables vers l’état ouvert, le système de protection électrique comportant en outre un circuit électronique de commande couplé avec ledit au moins un interrupteur de puissance, le ou chaque interrupteur de puissance comportant une plaque de dissipation thermique en métal connectée à une électrode dudit interrupteur de puissance, ladite plaque de dissipation thermique étant thermiquement connectée au corps dudit interrupteur de puissance, et dans lequel le ou chaque interrupteur de puissance est connecté en série avec les contacts électriques séparables entre les terminaux de raccordement par l’intermédiaire d’une plaque conductrice connecté à la plaque de dissipation thermique dudit interrupteur de puissance respectif.
Grâce à l’invention, on profite de l’espace libéré par l’absence des composants supprimés d’un disjoncteur miniature classique (ces éléments comportant généralement un bilame, un déclencheur magnétique, un blindage magnétique, une joue gazogène et l’empilement de plaques métalliques de la chambre de coupure) pour loger le bloc de coupure comportant les interrupteurs de puissance entre au moins une (de préférence plusieurs) plaques conductrices et les parois du boîtier de l’appareil. Un autre avantage est que plus les plaques dissipent de l'énergie thermique, moins il faut de composants de coupure à semi-conducteurs.
Selon des aspects avantageux mais non obligatoires, un tel appareil de protection électrique peut incorporer une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toute combinaison techniquement admissible :
- le ou chaque interrupteur de puissance associé à un pôle de l’appareil est monté sur un substrat en forme de plaque intégré dans un bloc, la plaque conductrice respective de chaque interrupteur de puissance étant montée sur le même côté du substrat du boc ;
- le système comporte deux groupes d’au moins un interrupteur de puissance associés à un même pôle du système qui sont montés sur le substrat, chaque au moins un interrupteur de puissance et la plaque conductrice respective dudit groupe, étant montées sur les côtés opposés du substrat ;
- le ou chaque bloc est reçu dans un logement dédié du boîtier ;
- la ou chaque plaque conductrice couvre au moins 40% de la superficie de la face correspondante de la paroi latérale du boîtier ; - la ou chaque plaque conductrice s’étende parallèlement aux parois les plus larges du boiter ;
- la plaque de dissipation thermique est une plaque métallique nativement fixée à un corps en céramique de l’interrupteur de puissance ;
- ledit au moins un interrupteur de puissance est un transistor à effet de champ, de préférence un transistor MOSFET ;
- la ou chaque plaque conductrice est réalisée en métal ;
- la ou chaque plaque métallique est réalisée principalement en cuivre ou en aluminium ;
- l’une des plaques conductrices comporte une portion adaptée pour former un contact électrique, la portion étant utilisée comme contact électrique fixe qui coopère avec un contact mobile du système pour former ensemble lesdits contacts électriques séparables ;
- la ou chaque plaque conductrice est raccordée à un terminal de raccordement respectif du système.
Selon un autre aspect, l’appareil de protection électrique est un disjoncteur miniature, la largeur du boîtier est comprise un multiple de 9mm et l’appareil de protection électrique est un disjoncteur à coupure dans l’air.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
L’invention sera mieux comprise et d’autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre d’un mode de réalisation d’un système de protection électrique donnée uniquement à titre d’exemple et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels : la figure 1 est une représentation schématique, selon une vue en coupe, d’un appareil de protection électrique conforme à des modes de réalisation de l’invention ; la figure 2 est un diagramme fonctionnel de l’appareil de protection électrique de la figure 1, dans le cas d’un appareil bipolaire ; la figure 3 est une représentation schématique d’une première étape d’une séquence de mouvements d’un mécanisme de commutation de l’appareil de protection électrique de la figure 1 lorsque l’appareil est commuté vers un état ouvert ; la figure 4 est une représentation schématique d’une deuxième étape d’une séquence de mouvements d’un mécanisme de commutation de l’appareil de protection électrique de la figure 1 lorsque l’appareil est commuté vers un état ouvert ; la figure 5 est une représentation schématique d’une troisième étape d’une séquence de mouvements d’un mécanisme de commutation de l’appareil de protection électrique de la figure 1 lorsque l’appareil est commuté vers un état ouvert ; la figure 6 est un graphique représentant l’évolution au cours du temps de la position angulaire d’une manette de commande associée au mécanisme de commutation des figures 3 à 5 lors de la commutation de l’appareil vers un état ouvert ;
- la figure 7 est une représentation schématique, selon une vue en perspective (insert A) et une vue éclatée (insert B) d’un mode de réalisation particulier d’une partie de l’appareil de protection de la figure 1. la figure 8 est un diagramme fonctionnel de l’appareil de protection électrique de la figure 1 selon une première variante dans laquelle l’appareil est un appareil monophasé ; la figure 9 est un diagramme fonctionnel de l’appareil de protection électrique de la figure 1 selon une deuxième variante dans laquelle l’appareil est un appareil triphasé ; la figure 10 est un diagramme fonctionnel de l’appareil de protection électrique de la figure 1 selon une troisième variante dans laquelle l’appareil est un appareil triphasé avec une ligne de neutre ; la figure 11 est un diagramme fonctionnel de l’appareil de protection électrique de la figure 1 selon une quatrième variante dans laquelle l’appareil est un appareil tétrapolaire.
DESCRIPTION DETAILLEE DE CERTAINS MODES DE REALISATION Les figures 1 et 2 représentent schématiquement un appareil de protection électrique 2 conforme à des modes de réalisation de l’invention.
Dans de nombreux modes de réalisation, l’appareil de protection électrique 2 est un disjoncteur.
De préférence, l’appareil 2 est un disjoncteur miniature.
L’appareil 2 comporte un boîtier 4 à l’intérieur duquel sont logés au moins une partie des composants de l’appareil 2. Le boîtier 4 est de préférence fabriqué en un matériau rigide et électriquement isolant, tel qu’un polymère thermoformé, par exemple du polyamide PA 6.6, ou tout autre matériau approprié.
Par exemple, le boîtier 4 est un boîtier en plastique moulé.
De préférence, les dimensions du boîtier 4, et notamment la largeur du boîtier ou le facteur de forme du boîtier 4, sont compatibles avec les dimensions des boîtiers des appareils de protection 4 existants.
Dans un exemple non limitatif d’implémentation donné à titre d’illustration, la largeur du boîtier est de préférence un multiple de 9mm, par exemple égale à 9mm, ou à 18mm, ou à 27mm.
On comprend que, dans cet exemple, les composants du système de protection électrique sont logés dans un même boîtier 4. Toutefois, dans certaines variantes, certains composants pourraient être logés dans des boîtiers différents. Ce qui est ici décrit en référence à l’appareil 2 est donc généralisable à un système 2 de protection électrique pouvant être dissocié du boîtier 4.
L’appareil 2 comporte également des terminaux de raccordement 6 et 8, des contacts électriques séparables 10 connectés entre les terminaux de raccordement 6 et 8 et un mécanisme de commutation 12 comportant un organe de commande 14 (aussi nommé manette de commande ou levier de commande dans ce qui suit). Le levier de commande 14 est par exemple un levier pivotant accessible depuis l’extérieur du boîtier 4 et destiné à être manipulé par un utilisateur.
Par exemple, les contacts 10 peuvent être formés par l’association d’un contact électrique fixe et d’un contact électrique mobile déplaçable par rapport au contact fixe, le mécanisme de commutation 12 étant couplé au contact mécanique mobile.
En pratique, chaque contact électrique 10 peut comporter une pluralité de doigts de contacts électriques, bien que d’autres implémentations soient possibles en variante.
Les contacts électriques séparables sont déplaçables entre un état ouvert et un état fermé. Dans l’état ouvert, les contacts 10 sont séparés l’un de l’autre par un volume d’air ambiant faisant office d’isolant électrique, ce qui empêche la circulation d’un courant électrique.
Dans l’exemple de la figure 2, l’appareil 2 comporte deux paires de terminaux de raccordement 6,8 : un premier terminal d’entrée 6 relié à un premier terminal de sortie 8 par l’intermédiaire d’une première ligne de connexion, et un deuxième terminal d’entrée 6 relié à un deuxième terminal de sortie 8 par l’intermédiaire d’une deuxième ligne de connexion. Cet exemple, donné à des fins d’illustration, correspond au cas d’un appareil bipolaire (à deux pôles électriques, ou deux phases électriques). D’autres exemples sont toutefois possibles.
Dans de nombreux modes de réalisation, le mécanisme de commutation 12 est configuré pour déplacer les contacts électriques 10 vers un état ouvert en réponse à un ordre de commutation. L’ordre de commutation peut être envoyé par un déclencheur ou résulter d’une action d’un utilisateur sur le levier de commande 14.
Par exemple, le mécanisme de commutation 12 est un mécanisme à genouillère, tel qu’un mécanisme de commutation analogue ou similaire au mécanisme de commutation décrit dans les brevets EP 2975628 B1 ou EP 1542253 B1 .
L’appareil 2 comporte également un module de coupure électronique 16 qui est configuré pour interrompre un courant électrique entre les terminaux de raccordement 6 et 8. Le module de coupure électronique 16 est ici basé sur des composants de coupure à l’état solide, notamment des composants semi-conducteurs, tels que des transistors de puissance. En cela, l’appareil 2 diffère des appareils de protection électromécaniques à coupure dans l’air qui comportent une chambre de coupure (chambre d’extinction d’arc).
De préférence, le module de coupure électronique 16 est reçu dans un logement dédié du boîtier 4. Encore plus préférentiellement, lorsque le boîtier 4 est du même type (voire identique) que les boîtiers des appareils de protection électromécaniques, ledit logement correspond à l’espace normalement occupé par la chambre de coupure ainsi que par des moyens de détection d’un défaut électrique (de type dit thermique et magnétique), tel qu’un bilame et une bobine.
Cela permet de conserver l’architecture des disjoncteurs existants et d’assurer une compatibilité avec les installations existantes.
L’appareil 2 comporte ainsi au moins un interrupteur de puissance 22 connecté en série avec les contacts électriques séparables 10.
Dans l’exemple illustré, qui correspond au cas illustratif d’un appareil bipolaire, l’appareil 2 comporte quatre interrupteurs de puissance 22, identifiés ici par les références T1 , T2, T3 et T4.
Par exemple, la première ligne de connexion comporte deux interrupteurs de puissance T1 et T2 connectés en série avec le contact séparable entre les premiers terminaux 6 et 8. De même, la deuxième ligne de connexion comporte deux interrupteurs de puissance T3 et T4 connectés en série avec le deuxième contact séparable 10 entre les deuxièmes terminaux 6 et 8. Par exemple, chacune desdites première et deuxième ligne de connexion correspond à une phase électrique. En pratique, le nombre d’interrupteurs de puissance peut être différent, selon la topologie de l’appareil et notamment le nombre de pôles (monophasé, polyphasé, avec ou sans ligne de neutre) mais aussi en fonction du calibre en courant de l’appareil.
Chaque interrupteur de puissance peut, en pratique, être implémenté par plusieurs composants (tels que des transistors) connectés en parallèle en fonction du calibre du disjoncteur que l’on veut réaliser.
Par exemple, dans l’appareil 2, qui à titre illustratif et nullement limitatif présente un calibre de seize ampères, on utilise deux paires de transistors connectées en série, les transistors de chaque paire de transistors étant connectés en parallèle. Dans une variante présentant un calibre plus élevé, par exemple trente-deux ampères, il est possible d’utiliser un plus grand nombre de transistors connectés en parallèle.
Chaque interrupteur de puissance 22 est commutable entre un état électriquement bloquant et un état électroniquement passant.
Par exemple, les interrupteurs de puissance 22 sont des transistors de puissance.
Selon un mode de réalisation préféré, les interrupteurs de puissance 22 sont des transistors MOSFET (« Métal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor »).
Ce type de transistor est préféré car il présente une faible résistance à l’état passant, mais aussi car il reste dans l’état bloqué lorsqu’il est au repos (par exemple lorsqu’aucun signal de commande n’est envoyé sur l’électrode de commande).
D’autres technologies de semi-conducteurs peuvent cependant être envisagées suivant le calibre du disjoncteur, telles que des transistors bipolaires à grille isolée (IGBT), ou des thyristors, ou des thyristors à commutation de grille intégrée (IGCT), ou bien d’autres technologies encore.
En variante, les interrupteurs de puissance 22 peuvent être des transistors JFET (« Junction Field Effect Transistor ») Dans ce cas, le fonctionnement du circuit de commande 24 peut devoir être modifié, pour tenir compte du fait que de tels transistors JFET sont dans l’état passant lorsqu’ils sont au repos.
En pratique, une diode est présente en parallèle de chacun des interrupteurs de puissance 22, comme illustré sur la figure 2, bien que d’autres modes de réalisation soient possibles en variante. Généralement, il s’agit d’une diode parasite inhérente à la construction de l’interrupteur de puissance.
L’appareil de protection électrique comporte en outre un circuit électronique de commande 24 couplé avec ledit au moins un interrupteur de puissance 22 (i.e., avec chaque interrupteur de puissance 22). En d’autres termes, le circuit électronique de commande 24 permet de piloter chacun des interrupteurs de puissance 22. Dans de nombreux modes de réalisation, le circuit électronique de commande 24 comporte un processeur, tel qu’un microcontrôleur programmable ou un microprocesseur.
Le processeur est avantageusement couplé à une mémoire informatique, ou à tout support d’enregistrement de données lisible par ordinateur, qui comporte des instructions exécutables et/ou un code logiciel prévu pour mettre en œuvre un procédé de détection d’un défaut électrique lorsque ces instructions sont exécutées par le processeur.
Notamment, ce procédé permet de détecter un défaut électrique tel qu’un défaut de courant de surcharge, un défaut de court-circuit, un défaut de courant différentiel, un défaut de présence d’arc série (ou différentiel) sur la ligne à protéger, mais aussi des surtensions ou des sous-tensions.
Selon des variantes non décrites en détail, le circuit électronique de commande 24 peut comporter un processeur de traitement du signal (DSP), ou un composant logique reprogrammable (FPGA), ou un circuit intégré spécialisé (ASIC), ou tout élément équivalent, ou toute combinaison de ces éléments.
Avantageusement, l’appareil 2 peut comporter un ou plusieurs éléments de protection 26 contre les surtensions, connectés en parallèle du ou des interrupteurs de puissance 22, afin de protéger les interrupteurs de puissance 22 contre les surtensions, notamment en cas d’apparition d’un arc électrique lors de la séparation des contacts 10.
Cela permet notamment de protéger les interrupteurs en tension lors de la coupure dans les cas où l’installation comporte des circuits inductifs.
Par exemple, les éléments de protection 26 sont des écrêteurs ou des varistances (MOV, pour « Métal Oxide Varistor » en anglais) ou des diodes Transil (TVS, pour « Transient Voltage Suppression » en anglais).
Dans de nombreux modes de réalisation, l’appareil 2 comporte une unité d’alimentation électrique interne 28 configurée pour alimenter électriquement le circuit électrique de commande, de préférence à partir du courant électrique qui circule entre les terminaux de raccordement 6, 8 lorsque l’appareil 2 est en fonctionnement.
En variante, l’alimentation électrique interne 28 peut comporter une batterie, ou tout autre moyen permettant une alimentation électrique autonome.
Par exemple, le circuit électronique de commande 24 est configuré pour commuter les interrupteurs de puissance 22 vers un état ouvert lorsqu’un défaut électrique est détecté par un circuit de mesure 30. Par exemple, l’appareil 2 comporte des capteurs de courant 30, ici couplés à chaque ligne de connexion.
Par exemple, les défauts électriques peuvent être des surintensités ou des courts circuits, mais aussi d’autres défauts électriques tels qu’un défaut de courant différentiel, ou un défaut de présence d’arc série (ou différentiel) sur la ligne à protéger, voire aussi des surtensions ou des sous-tensions.
La commutation de l’appareil 2 lors d’un déclenchement (i.e., suite à la détection d’un défaut électrique nécessitant l’interruption immédiate du courant électrique) peut être réalisée par l’action combinée du mécanisme de commutation 12 avec les interrupteurs de puissance 22.
En outre, selon des modes des réalisation, l’appareil 2 comporte également un système de synchronisation 32 visant à synchroniser la commutation des interrupteurs de puissance 22 avec l’ouverture des contacts 10, dans le but d’éviter l’apparition d’arcs électriques lors de l’ouverture des contacts électriques 10.
A cet effet, l’appareil 2 comporte un capteur 34 configuré pour mesurer une position du mécanisme de commutation 12. De préférence, le capteur est configuré pour mesurer la position du levier de commande 14 du mécanisme de commutation 12, ou d’une pièce solidaire du levier de commande 14.
Par exemple, le capteur 34 est connecté à une entrée du circuit électronique de commande 24 de façon à envoyer un signal de mesure. Le capteur 34 peut être placé en regard d’une pièce du mécanisme de commutation 12 (par exemple en regard de la pièce mécanique portant le levier de commande 14). En d’autres termes, le capteur 34 peut être couplé au levier de commande 14.
Selon un exemple non limitatif d’implémentation donné à titre d’illustration, le capteur 34 peut être configuré pour émettre un signal binaire, prenant une première valeur lorsque le mécanisme de commutation 12 est dans une position dans laquelle les contacts électriques 10 sont fermés, et prenant une deuxième valeur (différente de la première valeur) lorsque le mécanisme de commutation est dans une position précédant la position à partir de laquelle les contacts électriques 10 commencent à se séparer (lorsque le mouvement d’ouverture du levier se poursuit).
Par exemple, cette position peut correspondre à un seuil de position angulaire spécifique du levier de commande 14.
A titre d’illustration, le seuil de position peut correspondre à un angle de 20° par rapport à la position d’origine du levier de commande 14. L’angle peut être choisi différemment en variante. En pratique, l’angle est de préférence inférieur ou égal à 20°, ou à 10°, ou à 5°.
De préférence, le capteur 34 est un capteur optique.
Selon des modes de réalisation, le capteur 34 est un capteur optique à obstruction, par exemple agencé tel que le signal lumineux reçu par un élément sensible du capteur 34 est obstrué lorsque le levier de commande 14 atteint une certaine position, par exemple lorsque le levier de commande 14 a commencé à bouger par rapport à la position fermée.
En variante, le capteur 34 peut être réalisé différemment et peut ainsi être un capteur mécanique, ou un capteur inductif avec compensation de champ extérieur.
Dans de nombreux modes de réalisation, le capteur 34 est logé dans le même boîtier que le mécanisme de commutation 12 et l’organe de commande 14. Toutefois, en variante, le capteur 34 peut être logé dans un premier boîtier et l’organe de commande 14, de même qu’au moins une partie du mécanisme de commutation 12, sont logés dans un autre boîtier.
En particulier, pour des appareils comportant plusieurs pôles (par exemple pour un disjoncteur triphasé ou un disjoncteur DC bipolaire), les organes de commande (leviers de commande) de chaque pôle sont reliés entre eux mécaniquement. Dans ce système, il peut être avantageux de mettre un seul capteur pour l’ensemble de l’appareil de protection, plutôt que d’utiliser un capteur pour chaque pôle. Cet unique capteur peut être alors déporté dans un autre boîtier.
Comme cela sera expliqué plus en détail en référence aux figures 2 à 6, le circuit électronique de commande 24 est configuré pour commuter le ou les interrupteurs de puissance 22 vers l’état bloquant lorsque le capteur 34 détecte que le mécanisme de commutation se déplace vers la position ouverte, et plus particulièrement avant que les contacts électriques 10 se séparent.
Dans des modes de réalisation optionnels mais néanmoins avantageux, l’appareil 2 peut comporter un capteur auxiliaire (non illustré), configuré pour mesurer une position du mécanisme de commutation, le capteur auxiliaire étant configuré pour fonctionner conjointement avec le capteur optique 34. Cette disposition est particulièrement applicable aux disjoncteurs de grande taille, afin d’améliorer la fiabilité de la détection de la position du mécanisme de commutation 12. Ce capteur auxiliaire peut toutefois être omis.
Optionnellement, le dispositif de synchronisation 32 peut comporter un actionneur 36 configuré pour mettre en mouvement le mécanisme de commutation 12. L’actionneur 36 comporte par exemple un moteur électrique, ou un actionneur électromagnétique comportant une partie mécanique mobile déplaçable sous l’action d’un actionneur électromagnétique. Par exemple, l’actionneur 36 est piloté par le circuit électronique de commande 24 et peut ainsi commander l’ouverture des contacts électriques 10 par l’intermédiaire du mécanisme 12.
Dans des modes de réalisation optionnels, un déclencheur externe extérieur au circuit électronique de commande 24 peut être connecté à une entrée du circuit électronique de commande 24 afin de transmettre un ordre de déclenchement et ainsi provoquer un déclenchement de l’appareil 2 par l’intermédiaire du circuit électronique de commande 24. L’ordre de déclenchement émis par le déclencheur externe peut être transmis électroniquement, par une liaison filaire ou par un signal radiofréquence.
Dans d’autres modes de réalisation, le déclencheur externe peut être couplé mécaniquement au mécanisme de commutation 12 ou au circuit électronique de commande 12 (par exemple, par l’intermédiaire d’un capteur électromécanique).
Dans certaines implémentations, une alimentation électrique auxiliaire 38 peut être utilisée pour fournir une alimentation électrique au circuit électronique de commande 24.
Par exemple, une alimentation électrique auxiliaire 38 extérieure à l’appareil 2 est connectée à des bornes A1 , A2 de l’appareil 2, lesdites bornes étant raccordées à un circuit de distribution électrique (tel qu’un rail d’alimentation).
Un exemple de fonctionnement du mécanisme de commutation 12 et du système de synchronisation 32 est maintenant décrit en référence aux figures 3 à 5.
Les figures 3, 4 et 5 représentent schématiquement une version simplifiée 50 du mécanisme de commutation 12 dans différentes configurations successives au cours du temps. Plus précisément, la figure 3 correspond à l’état fermé du mécanisme de commutation 12, dans lequel les contacts électriques 10 sont en contacts (dans l’état fermé) et permettent la circulation d’un courant. La figure 5 correspond à un état ouvert du mécanisme de commutation 12, dans lequel les contacts électriques 10 sont séparés l’un de l’autre. La figure 4 correspond à un état intermédiaire lors d’une transition de l’état fermé vers l’état ouvert.
Comme illustré sur la figure 3, le mécanisme de commutation 12 comporte : le levier de commande 14, qui présente la forme d’une pièce rotative 52 montée en rotation autour d’un axe de rotation solidaire du boîtier 4 (les zones hachurées visibles sur la figure 3, dont l’une d’elles porte la référence 51, représentent des points d’ancrage immobiles par rapport au boîtier 4) ;
- une bielle de transmission 54, ou biellette;
- un crochet de déclenchement 56, monté en rotation et couplé à la pièce 52 par l’intermédiaire de la bielle de transmission 54 ; une platine 53, montée en rotation autour d’un axe de rotation solidaire du boîtier 4 et couplée au crochet 56 ;
- une barre de déclenchement 58, couplé à la platine 53 et au crochet 56 ;
- un porte contact 60, qui porte le contact électrique mobile 10 et qui coopère avec le contact électrique fixe 61 , le porte contact étant monté en rotation autour d’un axe de rotation solidaire du boîtier 4 ;
- des butées 62 qui limitent le déplacement en rotation du levier de commande 52, par exemple respectivement dans les positions ouverte et fermée. Les axes de rotation sont ici disposés parallèlement, par exemple en étant tous disposés perpendiculairement à une paroi latérale du boîtier 4.
Lors de la phase de déclenchement, la barre de déclenchement 58 est entraînée en rotation, ce qui libère le crochet 56 et entraîne en rotation la platine 53 et le porte contacts 60 vers la position d’ouverture. En parallèle, le mouvement de la platine déclenche un mouvement de rotation de la pièce 52 par l’intermédiaire de la bielle de transmission 54.
Dans l’exemple illustre, le capteur 34 est disposé de telle sorte que, dans l’état ouvert, au moins une partie de la pièce 52 est placée devant le capteur 34, de sorte par exemple à masquer au moins une partie sensible du capteur 34. Au contraire, dans l’état fermé, la pièce 52 reste éloignée du capteur 34 et ne masque pas la partie sensible du capteur 34. La position à partir de laquelle la partie sensible du capteur 34 est masquée par la pièce 52 peut correspondre à un seuil de position angulaire. Lorsque la pièce 52 passe devant le capteur, le capteur 34 change d’état et envoie alors un signal de mesure différent.
Avec la configuration retenue dans l’exemple illustrée, le seuil de position angulaire est atteint au plus tard juste avant que les contacts électriques 10 ne commencent à se séparer, comme illustré sur la figure 4 et sur la figure 6.
Sur la figure 6, le chronogramme 70 représente l’évolution, en fonction du temps (noté « t », sur l’axe des abscisses) :
- de la position du mécanisme de commutation 12, représentée ici par la position angulaire du levier de commande 14 (courbe 72), de l’état du capteur optique 34 (courbe 74, qui peut ici prendre soit une valeur basse soit une valeur haute, selon que le signal de mesure prend la première valeur ou la deuxième valeur, respectivement) ; de l’état fermé ou ouvert des contacts électriques séparables 10 (courbe 76, qui peut ici prendre soit une valeur basse soit une valeur haute, correspondant respectivement à l’état ouvert et à l’état fermé).
Ainsi, suite à un déclenchement, l’angle du levier de commande 14 jusqu’à atteindre un seuil (matérialisé ici par la première ligne verticale pointillée sur la courbe 74) pour lequel le capteur change d’état. En réponse, le circuit électrique de commande 24 déclenche la commutation des interrupteurs de puissance 22 vers leur état bloquant, afin d’interrompre la circulation du courant. A l’issue d’un certain délai, ici immédiatement après la position visible sur la figure 4, les contacts électriques 10 sont finalement séparés par le mécanisme de commutation 12, qui atteint alors la fin du mouvement d’ouverture.
Un tel fonctionnement peut être avantageusement obtenu avec des mécanismes de commutation spécifiques, comme des mécanismes de commutation à genouillère, tel que ceux décrits ci-dessus, dans lequel le mouvement relatif des pièces du mécanisme est configuré pour causer l’apparition un décalage angulaire entre la rotation du levier de commande 14 et l’ouverture effective des contacts 10, par exemple pour retarder brièvement la séparation des contacts 10 lors du déclenchement à l’ouverture.
Ce décalage permet de compenser une diminution du jeu à l’enfoncement des contacts électriques causé par l’usure graduelle des contacts électriques tout au long de la durée de vie de l’appareil 2.
En pratique, dans ces modes de réalisation, le circuit de commande 24 profite de ce décalage pour que la commutation des interrupteurs de puissance (provoqué par le début de rotation du levier de commande 14, tel que détecté par le capteur 34) anticipe la séparation des contacts électriques 10.
Grâce à l’invention, lors de la phase d’ouverture le circuit électronique de commande 32 et le capteur 34 permettent de synchroniser l’action des interrupteurs de puissance 22 et du mécanisme de commutation 12, notamment pour ordonner la commutation des interrupteurs de puissance 22 vers leur état bloquant avant que les contacts électriques 10 ne soient séparés. Cela empêche l’apparition d’un arc électrique entre les contacts électriques 10 et permet ainsi d’interrompre le courant de façon sûre.
En d’autres termes, on utilise ici le délai entre la commutation des interrupteurs de puissance et la séparation des contacts électriques qui résulte de la conception du mécanisme de commutation 12.
Cela est particulièrement utile lorsque l’appareil est utilisé dans une installation à courant continu, car les contacts électriques séparables 10 ne sont généralement pas suffisants à eux seul pour interrompre le courant.
En revanche, une fois dans la position ouverte, les contacts électriques séparables 10 permettent de créer une isolation électrique dans l’air et empêchent un courant électrique de circuler à nouveau entre les terminaux 6 et 8 après que l’appareil 2 a été déclenché.
Pour refermer les contacts 10 (c’est-à-dire pour commuter à nouveau l’appareil 2 dans l’état fermé), le levier de commande 14 est déplacé vers la position correspondante par un utilisateur. Ce déplacement, par l’intermédiaire de la biellette 54, entraîne la rotation du crochet 56 qui vient s’accrocher sur la barre de déclenchement 58. La biellette 54 entraîne alors la platine 53 en rotation jusqu’à la fermeture des contacts 10.
Par ailleurs, l’utilisation d’un boîtier 4 analogue ou similaire, voire identique, aux boîtiers des appareils de protection électromécaniques permet d’assurer une compatibilité avec les gammes antérieures. Par exemple, l’appareil 2 peut être monté dans un tableau électrique en remplacement d’un appareil de protection de génération antérieure sans avoir besoin de modifier tout le reste de l’installation. Cela permet aussi d’utiliser des dispositifs auxiliaires déjà existants.
L’utilisation d’un capteur optique 34 est avantageuse, car un tel capteur présente une petite taille et peut être facilement intégré dans l’appareil 2, ce qui permet de réaliser un appareil 2 compact. Un capteur optique a aussi pour avantage d’être précis et de ne pas être sensible aux perturbations électromagnétiques environnantes (et de ne pas non plus être à l’origine de perturbations électromagnétiques pouvant nuire au fonctionnement de l’installation ou de l’appareil 2 lui-même).
Enfin, le fait d’utiliser un mécanisme à genouillère comme mécanisme de commutation 12 permet un rattrapage de jeu à l’enfoncement des contacts avant d’atteindre la position d’ouverture des contacts, comme expliqué ci-dessus.
La figure 7 représente un exemple avantageux mais non obligatoire de construction du module de coupure électronique 16.
Dans cet exemple, au moins une partie du module de coupure électronique 16 est construit sous la forme d’un bloc intégré 80, voire de plusieurs tels blocs intégrés 80.
De préférence, le ou chaque bloc intégré 80 comporte les interrupteurs de puissance 22 associés à un pôle de l’appareil (i.e. à une desdites lignes de conduction électrique, elle- même associée à une phase électrique de l’appareil 2).
Le module intégré 80 comporte un substrat 82 en forme de plaque, par exemple réalisé en un matériau électriquement isolant.
En pratique, il peut s’agir d’un matériau composite, tel que de la résine époxyde renforcée en fibres de verre, communément notée sous la référence « FR4 ».
Au moins une partie des interrupteurs de puissance 22 sont montés sur le substrat 82, notamment sur des faces principales du substrat 82.
Par exemple, les transistors T1 et T2, associés à la première ligne de connexion sont montés sur des faces opposées du substrat 82 comme visible sur l’insert B) de la figure 7, ces interrupteurs portant ici la référence numérique 84.
En effet, comme expliqué précédemment, chaque transistor T1 , T2 illustré sur la figure 2 peut être implémenté en pratique par un groupe de deux transistors connectés en parallèle, en fonction notamment du calibre de l’appareil 2 et des propriétés des transistors utilisés.
Dans l’exemple illustré, donné à des fins d’illustration, le groupe de deux transistors connectés en parallèle sont utilisés pour implémenter le « transistor T1 », ces deux transistors étant montés sur une première face du substrat 82. Un groupe de deux autres transistors connectés en parallèle sont utilisés pour implémenter le « transistor T2 », ces deux autres transistors étant montés sur une deuxième face du substrat 82, la deuxième face du substrat 82 étant opposée à la première face du substrat 82.
Toujours dans cet exemple, les transistors T3, T4 associés à la deuxième ligne de connexion sont montés sur des faces opposées du substrat 82 d’un deuxième bloc intégré 80, ce deuxième bloc intégré 80 étant connecté en parallèle du présent bloc intégré 80 et étant identique ou au moins similaire au présent bloc intégré 80.
Ce deuxième bloc 80 est par exemple monté aux côtés du premier bloc 80.
De préférence, le ou chaque bloc intégré 80 est reçu dans ledit logement dédié du boîtier 4 mentionné précédemment.
En pratique, chaque interrupteur de puissance 22 peut comporter une plaque 86 de dissipation thermique, aussi nommée semelle, qui surmonte le corps de l’interrupteur de puissance 22. Autrement dit, la plaque 86 de dissipation thermique est thermiquement connectée au corps dudit interrupteur de puissance.
Par exemple, la plaque de dissipation thermique 86 est une plaque métallique nativement fixée au corps en céramique de l’interrupteur de puissance 22 par le fabricant de l’interrupteur de puissance 22.
Optionnellement, des composants du circuit électronique de commande 24 peuvent également être montés sur une ou sur des deux faces principales du substrat 82.
Par exemple, un ou plusieurs des capteurs de courant 30 associés à une ligne de connexion peuvent être intégrés au module 80 correspondant et montés sur le substrat 82.
Le bloc 80 comporte également deux plaques électriquement conductrices 90 et 92, chaque plaque 90, 92 étant montée sur chaque face du substrat 82 de manière à recouvrir ce substrat 82. On comprend qu’en position assemblée, les plaques 90 et 92 recouvrent aussi les composants montés sur les faces du substrat 82.
Dans cette description, les plaques 90 et 92 sont réalisées en matière métallique, et sont nommées « plaques métalliques » dans ce qui suit. Toutefois, en variante, d’autres matériaux ou compositions de matériaux peuvent être utilisées du moment que les plaques 90 et 92 sont électriquement conductrices.
Avantageusement, chaque plaque métallique 90, 92 est en contact (de préférence en contact direct) avec la semelle métallique 86 des interrupteurs de puissance correspondants (i.e., des interrupteurs de puissance 84 placés sous cette plaque métallique 90, 92). En d’autres termes, chaque plaque métallique 90, 92 est connectée électriquement et thermiquement aux interrupteurs de puissance 84 correspondants.
Cette disposition permet d’utiliser les plaques 90 et 92 à la fois comme dissipateur de chaleur et comme élément électriquement conducteur permettant la mise en connexion des interrupteurs de puissance 22. En effet, lorsque l’interrupteur de puissance 22 est un transistor MOSFET, la semelle métallique 86 est raccordée au drain. Ainsi, la semelle 86 peut être traversée par le courant de puissance circulant dans la ligne de connexion de l’appareil 2. Les plaques métalliques 90 et 92 sont ensuite raccordées respectivement aux terminal 8 et au terminal 6 de la ligne de connexion correspondante.
Le fait d’utiliser la semelle 86 pour conduire le courant de puissance ne cause pas de risque pour la sécurité des utilisateurs, puisque la semelle 86 est isolée électriquement de l’extérieur par le boîtier 4 de l’appareil, qui est en matériau électriquement isolant et qui empêche un utilisateur de toucher la semelle 86.
L’énergie thermique dégagée par les interrupteurs 22 est ici dissipée vers l’extérieur de l’appareil 2 par conduction le long des conducteurs électriques.
Par exemple, l’énergie thermique est principalement dissipée par conduction et par rayonnement par les pièces conductrices vers l’extérieur de l’appareil 2.
Avantageusement, des phénomènes de dissipation thermique par convection d’air peuvent aussi être utilisés, à condition de prévoir des orifices de ventilation compatibles avec les critères d’isolation électrique, tels que des fentes ou des ouïes de ventilation.
Pour la dissipation de l’énergie thermique par conduction, l’ensemble de la chaîne de passage du courant à l’intérieur du disjoncteur est concerné, c’est-à-dire l’ensemble des conducteurs électriques, câbles d’alimentation électrique et lignes de conduction électrique qui permettent la circulation du courant de l’amont vers l’aval de l’appareil 2.
Par exemple, par construction, les plages de raccordement du disjoncteur sont compatibles avec la température maximale des isolants des câbles, cette température pouvant par exemple atteindre au maximum 90°C au niveau des plages de raccordement raccordées avec des câbles en cuivre munies de gaines en PVC.
En pratique, le point le plus chaud étant généralement au centre du l’appareil 2, on observe un profil de température décroissant depuis le centre de l’appareil 2 vers les plages de raccordement des câbles.
Avantageusement, les plaques métalliques 90 et 92 sont réalisées principalement en cuivre, qui présente de bonnes propriétés de conduction électriques et thermiques.
En variante, toutefois, d’autres matériaux ayant de bonnes propriétés conductrices d’électricité et de chaleur peuvent être utilisés, tel que l’aluminium.
On peut également utiliser, pour construire les plaques métalliques 90 et 92, des matériaux qui ont subi un traitement de surface, telle qu’une plaque étamée, ou une plaque partiellement ou complètement recouverte d’une fine couche d’argent, pour améliorer certaines propriétés comme les résistances de contact entre les interrupteurs de puissance et les plaques métalliques. Le traitement de surface peut aussi améliorer la dissipation par rayonnement comme par exemple mise en place de peinture ou réalisation d’une anodisation.
De préférence, les plaques métalliques 90 et 92 sont surdimensionnées dans le but d’augmenter la dissipation de l’énergie thermique par conduction principalement mais aussi par rayonnement et convection. Ce surdimensionnement contribue également à diminuer les pertes par effet Joule.
De préférence encore, dans la configuration assemblée, les (ou chaque) plaques métalliques 90 et 92 s’étendent parallèlement aux parois les plus larges du boiter 4. Dans l’exemple illustré, il s’agit des parois latérales du boîtier 4 de l’appareil 2, ces parois étant orientées verticalement lorsque l’appareil 2 est monté dans une armoire électrique ou un tableau électrique. De préférence, chaque plaque métallique 90, 92 couvre au moins 40% de la superficie de la face correspondante de la paroi latérale du boîtier 4.
L’épaisseur de chacune des plaques 90 et 92 est de préférence inférieure ou égale à 5 mm et, encore plus préférentiellement, comprise entre 1 mm et 3 mm.
En particulier, plus l’épaisseur des plaques 90 et 92 est élevée, plus la conduction thermique est élevée, ce qui rend l’évacuation de la chaleur plus efficace.
A titre d’exemple illustratif, dans le cas d’un module 80 comportant quatre transistors (deux transistors connectés en parallèle sur chaque face du substrat 82), chaque transistor dissipant une puissance thermique de 1 watt, pour le cas d’un appareil monopolaire avec un calibre en courant de 16 ampères, il a pu être constaté qu’une épaisseur de 1,0 mm de cuivre pour les plaques 90 et 92 permet d’obtenir une température interne de 114,6 °C, tandis qu’une épaisseur de 3mm de cuivre pour les plaques 90 et 92 permet de réduire la température interne à 105°C.
En pratique, le substrat 82 peut comporter des orifices de fixation 88 qui, en configuration assemblé, sont alignés avec des orifices correspondants percés dans les plaques métalliques 90 et 92.
Dans l’exemple illustré, l’une des plaques métalliques (en l’occurrence la plaque métallique 92) comporte une portion repliée 94 repliée par rapport au reste de la plaque métallique 92, par exemple en s’étendant perpendiculairement au plan de ladite plaque métallique depuis un bord de ladite plaque métallique. Notamment, la portion 94 est repliée à 90 degrés par rapport à la plaque métallique pour s’orienter vers le pivotement du contact électrique mobile et ainsi former une portion de contact fixe.
La portion repliée 94 est ici utilisée comme contact électrique fixe qui coopère avec le contact mobile 10 pour former ensemble lesdits contacts électriques séparables, comme illustré sur la figure 1 , et ainsi réaliser la fonction d’isolement galvanique lorsque les contacts sont ouverts. En variante, la portion 94 pourrait être remplacée par une portion de contact ayant une forme différente. Par exemple, la portion de contact pourrait être formée directement sur une arête ou tranche de la plaque métallique, sans avoir d’excroissance repliée.
En variante, la portion repliée 94 peut être omise. La portion de contact peut aussi être omise, notamment lorsque les plaques 90 et 92 et plus généralement le bloc 80 sont placés dans un boîtier séparé du boîtier comportant le contact électrique mobile, comme par exemple dans le cas évoqué ci-dessus où les interrupteurs de puissance sont logés dans un boîtier séparé du boîtier comportant le mécanisme de commutation. Ceci permet par exemple de mettre une carte et des plaques métalliques de plus grandes surfaces.
Les plaques métalliques 90 et 92 sont ici mises en contact par l’intermédiaire d’un élément 96 limiteur de surtension, qui correspond à un élément de protection 26 contre les surtensions décrit en référence à la figure 2.
L’élément 96 limiteur de surtension est relié électriquement aux plaques métalliques 90 et 92, par exemple au moyen d’une soudure à l’étain. Mais, en variante, d’autres principes de soudure ou d’assemblage peuvent être réalisés. Par exemple, l’élément 96 est plaqué en contact direct avec les plaques métalliques 90 et 92 par vissage.
Dans certaines variantes, lorsque l’élément 26 de protection est omis, l’élément 96 peut être remplacé par un conducteur électrique.
Mais, en variante, le bloc 80 peut être construit différemment.
Par exemple, dans le cas d’un appareil à courant continu (DC) avec circulation du courant monodirectionnel, on peut n’utiliser qu’un seul interrupteur de puissance. Dans ce cas, on peut n’utiliser qu’une face du substrat 82 et n’utiliser qu’une seule plaque métallique 90 ou 92 recouvrant cette face du substrat, cette plaque étant connectée entre les terminaux 6 et 8. De préférence, cette unique plaque est montée du côté du substrat 82 qui est opposée au contact électrique mobile 10.
Les modes de réalisation relatifs au bloc 80 et notamment aux plaques 90 et 92 peuvent être mis en œuvre indépendamment des précédents modes de réalisation, et notamment des modes de réalisation relatifs aux modalités de commande des interrupteurs 22 et au fonctionnement du capteur 34.
Le bloc 80 peut être construit avec d’autres types d’interrupteurs de puissance, par exemple des transistors IGBT, MOSFET SiC, MOSFET GaN ainsi que des transistors JFET SiC, ces exemples n’étant pas limitatifs.
De façon générale, des modes de réalisation relatifs au bloc 80 peuvent se rapporter à un appareil de protection électrique 2 comportant un boîtier 4, des terminaux de raccordement 6, 8, des contacts électriques séparables 10 connectés entre les terminaux de raccordement 6, 8, un mécanisme de commutation 12 et au moins un interrupteur de puissance 22 connecté en série avec les contacts électriques séparables.
Les contacts électriques séparables 10 étant déplaçables entre un état ouvert et un état fermé, le mécanisme de commutation 12 comportant un levier de commande 14 et étant couplé avec les contacts électriques séparables 10 pour commuter les contacts électriques séparables vers l’état ouvert, l’appareil de protection électrique comportant en outre un circuit électronique de commande 24 couplé avec ledit au moins un interrupteur de puissance 22.
L’appareil de protection électrique 2 comporte en outre au moins un interrupteur de puissance, voire une paire d’interrupteurs de puissance, tels que des transistors T1 , T2 à effet de champ, et de préférence des transistors MOSFETS, chaque interrupteur de puissance comportant une semelle métallique 86 connectée au drain (ou plus généralement à une électrode) dudit interrupteur de puissance.
Ladite semelle métallique 86 étant thermiquement connectée au corps dudit interrupteur de puissance, et les interrupteurs de puissance sont connectés en série avec des contacts électriques séparables (capables de former une isolation dans l’air, ou « air gap ») entre les terminaux de raccordement 6, 8 par l’intermédiaire de plaques métalliques 90, 92 connectées (électriquement et thermiquement) aux semelles métalliques 86 des interrupteurs de puissance respectifs.
D’autres modes de réalisation de l’appareil 2 sont néanmoins possibles.
En particulier, l’appareil 2 peut être modifié pour être utilisé dans une installation monophasée, ou dans une installation polyphasée, comme expliqué précédemment.
La figure 8 représente un mode de réalisation d’un appareil 200 monophasé.
L’appareil 200 est similaire à l’appareil 2 décrit en référence à la figure 2, mis à part que l’une des lignes de connexion est remplacée par une ligne conductrice de neutre dépourvue d’interrupteurs de puissance T3 et T4 (et du composant de protection 26).
Mis à part ces différences, les éléments de l’appareil 200 qui sont analogues aux éléments correspondants de l’appareil 2 portent les mêmes références et ne sont pas décrits en détail, dans la mesure où la description ci-dessus peut leur être transposée.
Dans un souci de lisibilité, certains éléments optionnels de l’appareil 2, tel l’alimentation auxiliaire 38, ne sont pas représentés sur la figure 8, bien qu’ils pourraient être optionnellement figurer dans ce mode de réalisation.
La figure 9 représente un mode de réalisation d’un appareil 300 triphasé.
L’appareil 300 est similaire à l’appareil 2 décrit en référence à la figure 2, mis à part que l’appareil 300 comporte une troisième ligne de connexion connectée en parallèle de la première ligne de connexion et de la deuxième ligne de connexion entre les terminaux 6 et 8.
La troisième ligne de connexion électrique est similaire ou identique à la première ligne de connexion et à la deuxième ligne de connexion et comporte au moins un desdits interrupteurs de puissance 22 (ici au nombre de deux et notés T5 et T6) et un contact électrique 10 tel que décrit précédemment, connecté en série avec le ou les interrupteurs de puissance 22 par un ou plusieurs conducteurs électriques.
Avantageusement, la troisième ligne de connexion comporte un élément de protection 26 contre les surtensions, connecté en parallèle des interrupteurs de puissance 22, comme précédemment décrit.
Là encore, dans un souci de lisibilité, certains éléments optionnels de l’appareil 2, tel l’alimentation auxiliaire 38, ne sont pas représentés sur la figure 9, bien qu’ils pourraient être optionnellement figurer dans ce mode de réalisation.
La figure 10 représente un mode de réalisation d’un appareil 400 triphasé (tripolaire) avec neutre comportant trois lignes de connexion électrique et une ligne de neutre similaire à la ligne de neutre de l’appareil 200.
L’appareil 400 est similaire à l’appareil 300 décrit en référence à la figure 9, mis à part que l’appareil 400 comporte en plus une ligne de neutre connectée en parallèle de la première ligne de connexion et de la deuxième ligne de connexion entre les terminaux 6 et 8.
Mis à part ces différences, les éléments de l’appareil 400 qui sont analogues aux éléments correspondants de l’appareil 300 portent les mêmes références et ne sont pas décrits en détail, dans la mesure où la description ci-dessus peut leur être transposée.
La figure 11 représente un mode de réalisation d’un appareil 500 à quatre phases (tétrapolaire) comportant quatre lignes de connexion électrique similaires aux lignes de connexion que précédemment décrites.
L’appareil 500 est similaire à l’appareil 4 décrit en référence à la figure 10, mis à part que l’appareil 500 comporte, à la place de la ligne de neutre, une quatrième ligne de connexion connectée en parallèle de la première ligne de connexion et de la deuxième ligne de connexion entre les terminaux 6 et 8.
La quatrième ligne de connexion électrique est similaire ou identique à la première ligne de connexion et à la deuxième ligne de connexion et comporte au moins un desdits interrupteurs de puissance 22 (ici au nombre de deux et notés T7 et T8) et un contact électrique 10 tel que décrit précédemment, connecté en série avec le ou les interrupteurs de puissance 22 par un ou plusieurs conducteurs électriques. Avantageusement, la quatrième ligne de connexion comporte un élément de protection 26 contre les surtensions, connecté en parallèle des interrupteurs de puissance 22, comme précédemment décrit.
Mis à part ces différences, les éléments de l’appareil 500 qui sont analogues aux éléments correspondants de l’appareil 400 portent les mêmes références et ne sont pas décrits en détail, dans la mesure où la description ci-dessus peut leur être transposée.
Là encore, dans ces deux cas, dans un souci de lisibilité, certains éléments optionnels, tel l’alimentation auxiliaire 38, ne sont pas représentés sur les figures 10 et 11, bien qu’ils pourraient être optionnellement figurer dans ces modes de réalisation. Les modes de réalisation et les variantes envisagés ci-dessus peuvent être combinés entre eux pour créer de nouveaux modes de réalisation.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de protection électrique (2) comportant un boîtier (4), des terminaux de raccordement (6, 8), des contacts électriques séparables (10) connectés entre les terminaux de raccordement (6, 8), un mécanisme de commutation (12) et au moins un interrupteur de puissance (22) connecté en série avec les contacts électriques séparables, les contacts électriques séparables étant déplaçables entre un état ouvert et un état fermé, le mécanisme de commutation étant couplé avec les contacts électriques séparables pour commuter les contacts électriques séparables vers l’état ouvert, le système de protection électrique comportant en outre un circuit électronique de commande (24) couplé avec ledit au moins un interrupteur de puissance (22), le ou chaque interrupteur de puissance comportant une plaque de dissipation thermique (86) en métal connectée à une électrode dudit interrupteur de puissance, ladite plaque de dissipation thermique étant thermiquement connectée au corps dudit interrupteur de puissance, et dans lequel le ou chaque interrupteur de puissance est connecté en série avec les contacts électriques séparables entre les terminaux de raccordement (6, 8) par l’intermédiaire d’une plaque conductrice (90, 92) connecté à la plaque de dissipation thermique dudit interrupteur de puissance respectif.
2. Système selon la revendication 1 , dans lequel le ou chaque interrupteur de puissance associé à un pôle de l’appareil est monté sur un substrat (82) en forme de plaque intégré dans un bloc (80), la plaque conductrice (90, 92) respective de chaque interrupteur de puissance étant montée sur le même côté du substrat (82) du boc (80).
3. Système selon la revendication 2, dans lequel le système comporte deux groupes d’au moins un interrupteur de puissance (22) associés à un même pôle du système qui sont montés sur le substrat (82), chaque au moins un interrupteur de puissance (22) et la plaque conductrice (90, 92) respective dudit groupe, étant montées sur les côtés opposés du substrat (82).
4. Système selon l’une quelconque des revendications 2 ou 3, dans lequel le ou chaque bloc (80) est reçu dans un logement dédié du boîtier (4).
5. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la ou chaque plaque conductrice (90, 92) couvre au moins 40% de la superficie de la face correspondante de la paroi latérale du boîtier (4).
6. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la ou chaque plaque conductrice (90, 92) s’étende parallèlement aux parois les plus larges du boiter (4).
7. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la plaque de dissipation thermique est une plaque métallique nativement fixée à un corps en céramique de l’interrupteur de puissance.
8. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit au moins un interrupteur de puissance (22) est un transistor à effet de champ, de préférence un transistor MOSFET.
9. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la ou chaque plaque conductrice (90, 92) est réalisée en métal.
10. Système selon la revendication 9, dans lequel la ou chaque plaque métallique (90, 92) est réalisée principalement en cuivre ou en aluminium.
11. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’une des plaques conductrices (92) comporte une portion (94) adaptée pour former un contact électrique, la portion (94) étant utilisée comme contact électrique fixe qui coopère avec un contact mobile (10) du système (2) pour former ensemble lesdits contacts électriques séparables.
12. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la ou chaque plaque conductrice (90, 92) est raccordée à un terminal de raccordement (6, 8) respectif du système.
13. Appareil de protection électrique comportant le système de protection électrique (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’appareil de protection électrique (2) est un disjoncteur miniature.
14. Appareil de protection électrique selon la revendication 13, dans lequel la largeur du boîtier (4) est comprise un multiple de 9mm.
15. Appareil de protection électrique comportant un boîtier et le système de protection électrique (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel l’appareil de protection électrique (2) est un disjoncteur à coupure dans l’air.
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