EP4649514A1 - Contacteur electrique a dispositif de coupure integre - Google Patents

Contacteur electrique a dispositif de coupure integre

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Publication number
EP4649514A1
EP4649514A1 EP24702831.9A EP24702831A EP4649514A1 EP 4649514 A1 EP4649514 A1 EP 4649514A1 EP 24702831 A EP24702831 A EP 24702831A EP 4649514 A1 EP4649514 A1 EP 4649514A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
arc
electrical
conductive fins
fins
controlled switch
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
EP24702831.9A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Edwin CALDERON
Guillaume PRIEUR
Kévin ENOUF
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.)
Safran Electrical and Power SAS
Original Assignee
Safran Electrical and Power 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 Safran Electrical and Power SAS filed Critical Safran Electrical and Power SAS
Publication of EP4649514A1 publication Critical patent/EP4649514A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H50/00—Details of electromagnetic relays
    • H01H50/54—Contact arrangements
    • H01H50/546—Contact arrangements for contactors having bridging contacts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/30—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H9/34—Stationary parts for restricting or subdividing the arc, e.g. barrier plate
    • H01H9/36—Metal parts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/54—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere
    • H01H9/541—Contacts shunted by semiconductor devices
    • H01H9/542—Contacts shunted by static switch means

Definitions

  • the invention relates to electrical protection equipment, and more particularly to a contactor and electrical power cut-off circuit breaker intended to be mounted on an electrical circuit, for example of an aircraft.
  • the electrical contactor 1 according to the state of the art comprises two electrically distinct fixed electrical contacts 2, a movable bridge 3, and an arc-breaking device 4 for each fixed electrical contact 2, i.e. two arc-breaking devices 4 .
  • Each arc cutting device 4 comprises a first arc guide 5, a second arc guide 6 electrically connected to the fixed electrical contact 2 with which the arc cutting device is associated, and a finned cutting module 7 extending between the first arc guide 5 and the second arc guide 6, at a distance from the movable bridge 3 and the associated fixed electrical contact 2.
  • each finned cutting module 7 comprises a series of fins 8 arranged successively one above the other between the second arc guide 6 and the first arc guide 5, each fin 8 being spaced from the other fins by an empty space.
  • the fin 8 at the top of the stack is separated from the first arc guide 5 by an empty space, and the fin at the base of the stack is separated from the second arc guide 6 by an empty space.
  • the movable bridge 3 is movable between a first position and a second position.
  • the movable bridge 3 In the first position illustrated in Figure 1, the movable bridge 3 is in mechanical and electrical contact with the two fixed electrical contacts 2 and at a distance from the two first arc guides 5, and a second position in contact with the first guides d arc 5 and at a distance from fixed electrical contacts 2.
  • the two fixed electrical contacts 2 are electrically connected via the movable bridge 3, thus allowing the electric current to flow from one fixed electrical contact 2 to the other via the movable bridge 3 as illustrated by the arrows 9 in mixed traits.
  • the movable bridge 3 In the second position illustrated in Figure 2, the movable bridge 3 is mechanically separated from the two fixed electrical contacts 2 and in mechanical and electrical contact with the first two arc guides 5.
  • an electric arc A can be formed by ionization of the air at each of the two separation locations as is illustrated in Figure 3.
  • An electric current 9 then always circulates from one fixed electrical contact 2 to the other via the movable bridge 3 as illustrated by the dotted line arrows.
  • the electric arcs A will then move outwards via the first arc guides 5 and the second arc guides 6 thanks to the Laplace force which is created between the electric current 9 and the magnetic field 11.
  • the electric arcs A under the effect of the magnetic field 11 created by permanent magnets, bend and come against the first and second arc guides 5 and 6.
  • the electric arcs A thus move into the finned cutoff modules 7. Once the electric arcs A have entered the fins 8 of the finned cutoff module 7, the arc will divide into multiple arcs which will lower the current to zero and cause the network to cut, that is to say the opening of the electrical circuit between the two fixed electrical contacts 2.
  • This arcing phenomenon is dependent on the properties of the air at the time of its creation (pressure and temperature) and is strongly influenced by the altitude when the cutting device is in the ambient air. It is then possible, depending on the geometry and the environmental or current level conditions, that the arc exceeds the fins 8 of the finned switching module 7 and that the electric arc passes through them and emerges from the other side. The arc not having been cut in the fins 8, it then reforms completely and will not go out as illustrated in Figure 7.
  • An electric arc A being a plasma which can reach several thousand degrees Celsius, if maintained for too long it can damage the rest of the electrical contactor and potentially propagate.
  • this type of switch has a very significant conduction loss which must therefore be cooled with a large radiator or dedicated fluid cooling circuit which is also bulky to install and does not allow electrical insulation through real physical separation. electrical conductors in the event of failure.
  • the hybridization concept makes it possible to optimize the capabilities of an electromechanical contactor by very significantly reducing the presence of arcs between the contacts.
  • an electromechanical contactor main branch
  • electronic components secondary branch
  • two topologies are widely used in the secondary branch. The first is based on the use of a switching device (IGBT, MOSFET, THYRISTOR, etc.) and the second based on the use of a bank of capacitors which produces a current opposite to that of the main bank.
  • the invention aims to provide a technical solution offering an electrical contactor capable of containing electric arcs to prevent their propagation outside and thus eliminate them in order to guarantee mechanical and electrical insulation.
  • an electrical contactor with an integrated electrical cut-off device comprising at least one arc cut-off device comprising a first arc guide, a second arc guide, and a finned cutting module comprising a succession of conductive fins extending between the first arc guide and the second arc guide.
  • the arc breaking device further comprises a controlled switch connected between two conductive fins of the finned breaking module and controlled by an electronic control unit.
  • the controlled switch coupled between two conductive fins of the module makes it possible to artificially generate a progressive increase in the voltage drop at the level of the conductive fins.
  • the controlled switch is closed to allow the current circulating in the electric arc to be diverted into the controlled switch for a time and thus cut the plasma of the electric arc between the two coupled fins to the controlled switch.
  • the controlled switch is opened again to artificially generate an additional voltage drop of short duration. Cutting off the plasma caused a reduction in free electrons between the conductive fins coupled to the controlled switch, increasing the voltage and making plasma formation and maintenance more complicated.
  • the electrical contactor according to the invention thus acts as protection which allows you to benefit from the advantages of a conventional mechanical contactor which allows the discharge of energy and the cooling of the arc.
  • the two electrically conductive fins connected to the controlled switch can be two successive conductive fins, no other conductive fin being arranged between said two successive fins.
  • the voltage between two successive conductive fins is generally a maximum of 40 V.
  • said finned cutoff module of said at least one cutoff device may comprise an insulating blade disposed between said two conductive fins to which the controlled switch is connected, the insulating blade having , in a plane orthogonal to a direction of stacking of the conductive fins, dimensions greater than or equal to the dimensions of the conductive fins between which it is arranged, and the insulating blade and the two conductive fins between which it is arranged being centered on the stacking axis of the conductive fins.
  • the electronic control unit may comprise a detection block electrically connected to said two conductive fins connected to the controlled switch, and a trigger block electrically connected to the controlled switch, the detection block being configured to measure the voltage across the two conductive fins connected to the switch controlled and generate an activation signal to the trigger block when the measured voltage is above a voltage threshold, and the trigger block being configured to generate a closed signal of the controlled switch for a fixed period given thereafter of receiving an activation signal.
  • the controlled switch is a bipolar transistor with an insulated gate.
  • An insulated gate bipolar transistor is capable of conducting high arc currents but for a very short duration.
  • the electrical contactor with an integrated electrical breaking device comprises at least two electrically distinct fixed electrical contacts, a movable bridge, and an arc breaking device for each fixed contact, each arc cutting device comprising a first arc guide, a second arc guide electrically connected to the associated fixed contact, and a finned cutting module extending between the first arc guide and the second arc guide arc, at a distance from the movable bridge and the associated fixed contact, the first arc guides of the different arc breaking devices being electrically coupled together, and the movable bridge being movable between a first position in contact with said fixed contacts and at a distance from the first arc guides, and a second position in contact with the first arc guides and at a distance from said fixed contacts.
  • an electrical distribution system for an aircraft characterized in that it comprises at least one electrical contactor as defined above.
  • an aircraft comprising an electrical distribution system as defined above.
  • FIG. 1 Figure 1, already described, schematically represents a sectional view of an electrical contactor 1 according to the state of the art in a first position.
  • FIG. 2 Figure 2, already described, schematically represents a sectional view of the electrical contactor 1 according to the state of the art in a second position.
  • Figure 3 Figure 3, already described, schematically represents a sectional view of the electrical contactor 1 of the state of the art of Figure 2 with the appearance of electric arcs.
  • FIG. 4 Figure 4, already described, schematically represents a sectional view of the electrical contactor 1 of the state of the art of Figure 2 with the movement of the electric arcs outwards.
  • FIG. 5 Figure 5, already described, schematically represents a sectional view of the electrical contactor 1 of the state of the art of Figure 2 with the electric arcs further outside.
  • FIG. 6 Figure 6, already described, schematically represents a sectional view of the electrical contactor 1 of the state of the art of Figure 2 with the electric arcs displaced in the finned switching module.
  • FIG. 7 Figure 7, already described, schematically represents a sectional view of the electrical contactor 1 of the state of the art of Figure 2 with the reformation of the electric arcs outside the finned cutting device.
  • Figure 8 schematically shows a sectional view of an electrical contactor 10 according to one embodiment of the invention in a first position.
  • Figure 9 schematically shows a sectional view of the electrical contactor 10 of Figure 8 in a second position.
  • the electrical contactor 10 comprises two electrically distinct fixed electrical contacts 12, a movable bridge 13, and, for each fixed contact 12, an arc breaking device 20, in other words two devices arc cutoff 20.
  • the movable bridge 13 is movable between a first position illustrated in Figure 8, in which the movable bridge 13 is in contact with the fixed contacts 12 and at a distance from the first arc guides 21, and a second position, illustrated in Figure 9, in which the movable bridge 13 is in contact with the first arc guides 13 and at a distance from the fixed contacts 12.
  • first position the current flows from one fixed contact 12 to the other fixed contact 12 via the movable bridge 13.
  • second position no Current is not supposed to flow from one fixed contact to the other, unless an electric arc forms between the movable bridge and a fixed contact 12.
  • each arc cutting device 20 comprises a first arc guide 21, a second arc guide 22 electrically connected to the associated fixed contact 12, and a finned cutting module 23 comprising a plurality of electrically conductive fins 24 and extending between the first arc guide 21 and the second arc guide 22.
  • the finned cutoff module 23 is arranged at a distance from the movable bridge 13 and the fixed contact 12 adjacent.
  • the first arc guides 21 of the two arc cutting devices 20 are electrically coupled together.
  • the fins 24 of a finned cutting module 23 are successively superimposed one above the other between the second arc guide 22 and the first arc guide 21.
  • the finned switching module 23 thus comprises a stack of a plurality of conductive fins 24. Each fin 24 is separated from another fin 24 by an empty gap 240, and is therefore not in electrical contact with another fin 24.
  • the fin 24 at the top of the overlay is separated from the first arc guide 21 by an empty apex interval 241, and the fin at the base of the overlay is separated from the second arc guide 21 by another empty base interval 242.
  • Each arc breaking device 20 further comprises an insulating blade 245 disposed between two successive conductive fins 24.
  • the blade 245 is electrically insulating and has dimensions greater than the dimensions of the fins 24 in a plane orthogonal to the direction of stacking of the fins 24.
  • the successive conductive fins between which the insulating blade 245 is arranged are denoted 24a and 24b in the figures 8 and 9.
  • Each arc breaking device 20 also comprises an electrical protection circuit 25 comprising a controlled switch 26, here an IGBT, and a control unit 27 comprising a detection block 272 and a trigger block
  • the detection block 272 is electrically connected to the two fins 24a and 24b arranged opposite the insulating blade 245. The first 24a of these two fins is coupled to the collector of the IGBT 26, while the second 24b is coupled to the IGBT 26 transmitter.
  • the trigger block 274 is coupled at the input to the detection block 272 and at the output to the gate of the IGBT 26 to control the opening or closing of the IGBT as a function of the voltage measured across the fins 24a and 24b coupled to the IGBT.
  • the detection block 272 is configured to measure the voltage across the two conductive fins 24a and 24b connected to the IGBT 26 and generate an activation signal to the trigger block 274 when the voltage measured between the two fins 24a and 24b is greater than a voltage threshold.
  • the trigger block 274 is configured to generate a closing signal of the IGBT 26 for a given fixed period following receipt of an activation signal from the detection block 272.
  • the detection block 272 is configured to constantly measure the voltage V A between the fins 24a and 24b separated by the insulating blade 245, in other words to measure the voltage V A across the terminals of the IGBT 26. If the voltage V A across the terminals of the IGBT 26 is greater than a threshold voltage, the detection block 272 delivers an activation signal to the trigger block 274 which in response generates a closing signal to the gate of the IGBT 26.
  • the closing signal delivered to the gate of the IGBT 26 by the trigger block 274 is a positive square signal.
  • the amplitude and period of the positive window of the trigger signal are fixed.
  • the closing time, that is to say the slot period, depends on the size and characteristics of the controlled switch 26 used.
  • the conduction path of the IGBT 26 generated by the closing of the gate of the IGBT 26 makes it possible to switch the arc current of the ionized air between the fins 24a and 24b towards the collector-emitter junction of the IGBT26.
  • the column overall plasma is sectioned into two parts: a first plasma section extending between the upper guide 21 and the fin 24a connected to the collector of the IGBT 26 passing through the different conductive fins 24 located between these two elements, and a second plasma section attached to the fin 24b connected to the IGBT emitter 26 and to the lower guide 22 passing through the different conductive fins 24 located between these two elements.
  • the next step in cutting power is to cause a significant increase in the voltage drop across the fins.
  • a mechanism based on voltage drops in the fins remains weak enough to cut the current optimally.
  • the arc feet of the first section and the second plasma section present on the fins 24a and 24b are destabilized by untimely braking of the current.
  • the invention thus provides a technical solution offering an electrical contactor capable of containing electric arcs to prevent their propagation outside and thus eliminate them in order to guarantee mechanical and electrical insulation.

Landscapes

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  • Arc-Extinguishing Devices That Are Switches (AREA)

Abstract

Un contacteur électrique (10, 10') à dispositif de coupure intégré, comprenant au moins un dispositif de coupure (20) d'arc comportant un premier guide (21), un second guide (22) raccordé au contact (12), et un module de coupure à ailettes (23) comportant une succession d'ailettes conductrices (24) s'étendant entre le premier guide (21) et le second guide (22). Le dispositif de coupure d'arc (20) comprend un interrupteur commandé (26) raccordé entre deux ailettes conductrices (24) du module de coupure à ailettes (23) et commandé par une unité électronique de commande (27).

Description

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

Claims

Revendications
[Revendication 1] Contacteur électrique (10, 107) à dispositif de coupure électrique intégré, ledit contacteur électrique (10, 107) comprenant au moins un dispositif de coupure d'arc (20) comportant un premier guide d'arc (21), un second guide d'arc (22), et un module de coupure à ailettes (23) comportant une succession d'ailettes conductrices (24) s'étendant entre le premier guide d'arc (21) et le second guide d'arc (22), caractérisé en ce que le dispositif de coupure d'arc (20) comporte en outre un interrupteur commandé (26) raccordé entre deux ailettes conductrices (24a et 24b) du module de coupure à ailettes (23) et commandé par une unité électronique de commande (27), les deux ailettes conductrices (24a et 24b) électriquement raccordées à l'interrupteur commandé étant deux ailettes conductrices (24) successives, aucune autre ailette conductrice (24) étant disposée entre lesdites deux ailettes successives (24a et 24b).
[Revendication 2] Contacteur électrique (10) selon la revendication 1, dans lequel ledit module de coupure à ailettes (23) dudit au moins un dispositif de coupure (20) comprend une lame isolante (245) disposée entre lesdites deux ailettes conductrices (24a et 24b) auxquelles est raccordé l'interrupteur commandé (26), la lame isolante (245) ayant, dans un plan orthogonal à une direction d'empilement des ailettes conductrices (24), des dimensions supérieures ou égales aux dimensions des ailettes conductrices (24a et 24b) entre lesquelles elle est disposée, et la lame isolante (245) et les deux ailettes conductrices (24a et 24b) entre lesquelles elle est disposée étant centrées sur l'axe d'empilement des ailettes conductrices (24).
[Revendication 3] Contacteur électrique selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel l'unité électronique de commande (27) comprend un bloc de détection (272) électriquement raccordé auxdites deux ailettes conductrices (24a et 24b) raccordées à l'interrupteur commandé (26), et un bloc de déclenchement (274) électriquement raccordé à l'interrupteur commandé (26), le bloc de détection étant configuré pour mesurer la tension aux bornes des deux ailettes conductrices raccordées à l'interrupteur commandé et générer un signal d'activation au bloc de déclenchement lorsque la tension mesurée est supérieure à un seuil de tension, et le bloc de déclenchement étant configuré pour générer un signal de fermeture de l'interrupteur commandé pendant une période fixe donnée à la suite de la réception d'un signal d'activation.
[Revendication 4] Contacteur électrique selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'interrupteur commandé (26) est un transistor bipolaire à grille isolée.
[Revendication 5] Contacteur électrique (10, 107) selon l'une des revendications 1 à 4, comprenant au moins deux contacts électriques fixes (12) électriquement distincts et raccordés chacun à un second guide d'arc (22) distinct, un pont mobile (13), et un dispositif de coupure d'arc (20) pour chaque contact fixe (12), le module de coupure à ailettes (23) de chaque dispositif de coupure d'arc (20) étant disposé à distance du pont mobile (13) et du contact fixe (12) associé, les premiers guides d'arc (21) des différents dispositifs de coupure d'arc (20) étant électriquement couplés ensemble, et le pont mobile (13) étant mobile entre une première position en contact avec lesdits contacts fixes (12) et à distance des premiers guides d'arc (21), et une seconde position en contact avec les premiers guides d'arc (21) et à distance desdits contacts fixes (12).
[Revendication 6] Système électrique de distribution pour un aéronef caractérisé en ce qu'il comprend au moins un contacteur électrique selon l'une des revendications 1 à 5.
[Revendication 7] Aéronef comprenant un système électrique de distribution selon la revendication 6.
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