FR2901056A1

FR2901056A1 - Contacteur electromagnetique

Info

Publication number: FR2901056A1
Application number: FR0604083A
Authority: FR
Inventors: Bruno Lefebvre
Original assignee: ABB Entrelec SAS
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2006-05-09
Filing date: 2006-05-09
Publication date: 2007-11-16
Anticipated expiration: 2026-05-09
Also published as: US7902947B2; WO2007128892A1; FR2901056B1; ES2645241T3; US20090219119A1; CN101356613A; EP2016604A1; EP2016604B1; CN101356613B

Abstract

Contacteur électromagnétique comportant une bobine (6) de génération d'un champ magnétique, un circuit magnétique comportant une partie fixe (7) et une partie mobile (8), et une carte électronique (11) comprenant des moyens de contrôle de l'alimentation de la bobine (6). La carte électronique (11) est disposée horizontalement au dessus de la partie fixe (7) du circuit magnétique, la partie mobile (8) traversant la carte électronique (11) par une ouverture (12) de la carte et coulissant à l'intérieur de la bobine.

Description

La présente invention concerne un contacteur électromagnétique. De façon

connue un contacteur électromagnétique comprend : - une bobine de génération d'un champ magnétique, - un circuit magnétique comportant une partie fixe et une partie 5 mobile. Des moyens élastiques sont prévus pour maintenir les parties fixes et mobiles écartées en absence d'alimentation de la bobine. D'une manière générale, le fonctionnement électrique d'un contacteur peut être décrit en deux phases distinctes. 10 Lors d'une première phase d'appel, lorsque la bobine est alimentée en courant, le circuit magnétique tend à se fermer, la partie mobile se rapprochant de la partie fixe jusqu'à ce que ces deux parties soient au contact. Pendant cette phase, une puissance importante est nécessaire, afin de vaincre l'entrefer de départ, et de déplacer la partie mobile à l'encontre de l'action des 15 moyens élastiques. Cette puissance dite puissance d'appel est liée au nombre d'Ampères-tours de la bobine, c'est-à-dire le produit du nombre de tours de la bobine et de la valeur de l'intensité du courant dans la bobine. Lors d'une seconde phase de maintien, le circuit magnétique doit rester en position fermée tant que l'alimentation de la bobine est présente. 20 Dans cette seconde phase, le niveau d'Ampères-tours nécessaire est beaucoup plus faible que dans la phase d'appel, car l'entrefer est nul, et les efforts magnétiques sont maximums. D'une manière générale, les contacteurs peuvent être alimentés en courant continu ou en courant alternatif. 25 Des technologies spécifiques d'électro-aimant permettant de réduire la puissance nécessaire et donc la consommation du contacteur pendant les phases d'appel et/ou de maintien existent depuis de nombreuses années. Il est connu en particulier d'utiliser pour un contacteur à commande continue des circuits à tôles feuilletées de contacteur à commande alternative 30 dotés d'une bobine à deux enroulements ou des circuits massifs équipés ou non d'aimants permanents. L'utilisation de ces technologies entraîne habituellement une augmentation de l'encombrement de ces contacteurs par rapport à la version à commande alternative. Il est connu en outre, notamment du document EP 0 789 378, 35 d'équiper un contacteur à circuit feuilleté alternatif d'une carte électronique de contrôle de l'alimentation de la bobine.

Cette carte permet notamment d'alimenter la bobine en courant continu, quelle que soit la tension d'alimentation, alternative ou continue. La carte permet également d'augmenter la plage de tension d'alimentation pouvant être utilisée par le contacteur. La carte permet en outre de réduire les chocs pendant la phase d'appel et la consommation au maintien. Du fait du surcoût de la carte électronique, cette solution est réservée à des appareils de moyen et gros calibre, supérieur à 50 A. Il est également connu d'utiliser un circuit magnétique de type feuilleté avec une carte électronique disposée latéralement dans le boîtier du contacteur par rapport à la bobine, et perpendiculairement au plan de montage, pour limiter en particulier les consommation à l'appel et les rendre compatibles avec des sorties d'automate. Il apparaît toutefois que cette solution impose un positionnement spécifique et limitatif des bornes d'alimentation de la carte ce qui entraîne de nouveau une augmentation de l'encombrement des appareils lorsque cette solution est déclinée sur différents calibres de contacteurs. Pour tous les contacteurs, il est souhaitable de satisfaire les critères suivants : une consommation à l'appel réduite, si possible compatible 20 avec les sorties d'automate, une consommation durant la phase de maintien réduite, l'acceptation de larges plages de tension d'alimentation en continu ou alternatif, un encombrement identique à celui d'un appareil alternatif de 25 calibre équivalent, et un coût de réalisation identique à celui d'un appareil alternatif classique. Il est toutefois difficile de concilier l'ensemble de ces critères. La présente invention a donc pour objet de fournir un contacteur 30 permettant de satisfaire les critères ci-dessus de façon améliorée, tout en conservant le mode de raccordement habituel de l'alimentation de la bobine. A cet effet, la présente invention a pour objet un contacteur électromagnétique comportant : - une bobine de génération d'un champ magnétique, 35 - un circuit magnétique comportant une partie fixe et une partie mobile, et - une carte électronique comprenant des moyens de contrôle de l'alimentation de la bobine caractérisé en ce que la carte électronique est disposée horizontalement au dessus de la partie fixe du circuit magnétique, la partie mobile traversant la carte électronique par une ouverture de la carte et coulissant à l'intérieur de la bobine. Les dispositions selon l'invention permettent de limiter l'encombrement du contacteur et de conserver des raccordements de l'alimentation au contacteur réalisés de la même manière qu'un contacteur classique, c'est-à-dire au dessus de la bobine. Un tel contacteur permet de plus d'apporter les avantages cités ci-dessus pour une carte électronique. Selon un mode de réalisation, les parties fixe et mobile du circuit 15 magnétique présentent des formes sensiblement axisymétriques. La structure axisymétrique des pièces magnétiques offre un meilleur rendement qu'une structure plane classique. Avantageusement, les parties fixe et mobile présentent en regard des portions coniques, l'une convexe et l'autre concave. 20 La carte électronique permet de limiter les chocs lors de la phase d'appel et donc de réduire considérablement les surfaces de contact des deux armatures mobiles sans exposer le circuit magnétique à des usures prématurées, et sans augmenter le temps de conjonction. II est donc possible d'utiliser la forme conique, à entrefer 25 progressif , qui diminue les Ampère-tours nécessaires à l'appel car l'entrefer effectif est plus petit que la course réelle du noyau mobile. La combinaison des caractéristiques ci-dessus permet en conséquence d'obtenir un contacteur à puissance d'appel réduite, et de volume global réduit, équivalent à un contacteur de même gamme mais ne présentant 30 pas de puissance d'appel réduite. La durée de la phase d'appel avec le contacteur selon l'invention est du même ordre que celle d'un contacteur de même gamme, ne présentant pas de puissance d'appel réduite. Selon un mode de réalisation, les parties fixe et mobile sont 35 réalisées dans des éléments massifs.

La structure massive des pièces magnétiques permet une optimisation des formes et du choix des matériaux et d'utiliser des procédés de production de grandes séries, comme notamment l'emboutissage, la frappe à froid, ou la découpe. Ces dispositions permettent ainsi de réduire les coûts et la complexité de la fabrication. Avantageusement, la partie fixe forme un logement dans lequel la bobine est reçue. Selon un mode de réalisation, la partie fixe du circuit magnétique comprend : - une portion cylindrique, -un fond à une première extrémité de la portion cylindrique, et - une paroi comprenant une ouverture de passage de la partie mobile à une seconde extrémité de la portion cylindrique. Avantageusement, la partie fixe du circuit magnétique comprend : 15 - un corps formant la portion cylindrique et le fond, et - un couvercle, formant la paroi comprenant une ouverture de passage. Cette disposition permet de réaliser la partie fixe du circuit magnétique à partir de deux formes simples, plus faciles à produire. De plus, 20 cette disposition permet de faciliter le montage de la bobine dans la partie fixe de l'armature. Elle permet de faciliter la production de la pièce, et de réaliser cette production en grande série. Avantageusement, les éléments du contacteur sont empilables. Cette disposition permet de faciliter l'assemblage du contacteur. En 25 particulier, l'empilage peut être réalisé par un procédé automatisé simplifié. Selon un mode de réalisation, les moyens de contrôle de l'alimentation de la bobine sont agencés pour alimenter la bobine en courant continu, que la tension d'alimentation du contacteur soit alternative ou continue. 30 Avantageusement, les moyens de contrôle de l'alimentation de la bobine comportent des moyens de détermination d'une valeur de courant permettant de fermer le contacteur ou de maintenir le contacteur fermé, et des moyens permettant de limiter la valeur moyenne du courant d'alimentation de la bobine à la valeur déterminée. 35 De toute façon, l'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé, représentant à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation d'un contacteur selon l'invention. La figure 1 est une vue en perspective éclatée d'un contacteur selon l'invention.

La figure 2 est une vue en perspective éclatée du contacteur de figure 1, les parties constituant le boîtier ayant été supprimées. La figure 3 est une vue en perspective et en coupe partielle du circuit magnétique. La figure 4 est un schéma du circuit électrique de la carte 10 électronique du contacteur de figure 1. La figure 5 est un organigramme de fonctionnement des moyens de contrôle constitués par la carte électronique. Selon un mode de réalisation représenté sur les figures 1 à 4, un contacteur électromagnétique selon l'invention comporte un boîtier isolant 15 comprenant une partie arrière 2, destinée à être fixée sur un support, et une partie avant 3, destinée à être fixée sur la partie arrière 2. Sur la partie avant 3 du boîtier sont fixés des contacts fixes non représentés. Le boîtier isolant comprend également un bornier 4 destiné à être fixé au dessus de la partie avant, et comportant des bornes de raccordement 5 destinées à être 20 connectées aux contacts fixes. Les parties du boîtier forment un logement dans lequel sont reçus : - une bobine 6 de génération d'un champ magnétique, fixée au boîtier, et - un circuit magnétique comportant une partie fixe 7 par rapport au 25 boîtier et une partie mobile 8 par rapport au boîtier. Un porte contact 9 mobile est monté solidairement avec la partie mobile 8 du circuit magnétique. Le porte contact 9 comprend des contacts mobiles destiné à être au contact des contacts fixes, ou séparés de ces contacts fixes, suivant la 30 position de la partie mobile 8, pour fermer ou ouvrir un circuit électrique de puissance. Des moyens élastiques, constitués par deux ressorts 10 sont prévus pour maintenir les parties fixe 7 et mobile 8 écartées en absence d'alimentation de la bobine 6.

Le contacteur comporte des moyens de contrôle de l'alimentation de la bobine 6 en tension alternative ou continue, constitués par une carte électronique 11. Cette carte électronique 11, du type décrit dans le document EP 0 789 378 est disposée en interface entre l'alimentation extérieure et l'alimentation de la bobine du contacteur. Cette carte électronique 11 est disposée horizontalement au dessus de la partie fixe 7 du circuit magnétique, la partie mobile 8 traversant la carte électronique par une ouverture de la carte 12 et coulissant à l'intérieur de la bobine et de la partie fixe 7.

Cornme représenté sur les figures 1 à 4, selon une caractéristique de l'invention, Iles parties fixe 7 et mobile 8 du circuit magnétique présentent une forme axisymétrique par rapport à un axe A, qui coïncide avec l'axe de la bobine 6. En particulier, la partie fixe 7 du circuit magnétique comprend : 15 un corps 13 formant : o une portion cylindrique 14, o un fond 15 à une première extrémité de la portion cylindrique 14, et un couvercle 16 formant une paroi comprenant une ouverture 20 de passage 17 de la partie mobile 8 destiné à être positionné à une seconde extrémité de la portion cylindrique 14. Le corps et le couvercle délimitent un logement dans lequel la bobine 6 est reçue. L'ouverture de passage 17, disposée autour de l'axe A. permet d'assurer la pénétration de la partie mobile dans la bobine 6. 25 La partie mobile 8 comprend pour sa part une portion cylindrique destinée à rentrer dans l'ouverture de passage 17. Comme cela est illustré sur la figure 3, les parties fixes 7 et mobiles 8 présentent des portions en regard coniques. En particulier, la partie fixe comprend une portion conique convexe 18, disposé sur le fond 15 du 30 corps 13. La partie mobile 8 présente une portion conique concave 19. Bien entendu la portion concave pourrait être positionnée sur la partie fixe et la portion convexe sur la partie mobile. Les deux portions coniques 18, 19 sont d'une forme adaptée pour ménager un entrefer entre elles lorsque les deux parties fixes et mobiles sont 35 au contact. En particulier, les extrémités terminales planes 20, 22 des deux parties coniques n'entrent pas en contact, lorsque les parties fixes et mobiles sont en contact. Seul le bord 23 délimitant la partie conique 19 concave de la partie mobile 8 vient en butée contre le fond 15 du corps 13.

Les parties fixes 7 et mobile 8 sont réalisées dans des éléments massifs. Ainsi que représenté sur la figure 4, La carte électronique comporte un composant de filtrage F et un composant redresseur Rd permettant de transformer une tension alternative en tension continue. En particulier, le composant redresseur Rd peut comporter un pont de diodes. Ces composants permettent d'alimenter la bobine en courant continu, que la tension d'alimentation du contacteur soit alternative ou continue. La carte électronique comprend des moyens de détermination d'une valeur de courant permettant de fermer le contacteur ou de maintenir le contacteur fermé, et des moyens permettant de limiter la valeur moyenne du courant d'alimentation de la bobine à la valeur déterminée. En particulier, La bobine 6 du contacteur est alimentée par un dispositif hacheur dévolteur constitué d'un transistor de puissance TR, transistor bipolaire, MOSFET ou IGBT, fonctionnant en tout ou rien , commandé par un signal en modulation de largeur d'amplitude PWM (pulse width modulation) généré par un dispositif de contrôle constitué ici par un microcontrôleurpC ; ce dispositif de contrôle pourrait être également constitué par tout autre circuit logique spécifique. La fréquence de ce signal est fixe et le rapport cyclique, c'est-à-dire le rapport entre le temps de conduction et la période du signal, est ajusté par le microcontrôleur pC. La bobine 6 est connectée en série au transistor de puissance TR, et à une résistance RI utilisée pour la mesure du courant. Le microcontrôleurpC est alimenté par un composant 30 d'alimentation UJR délivrant une tension contrôlée. Le microcontrôleur,uC prend en entrée : - un signal de mesure de la tension aux bornes de la résistance R1, qui est une mesure du courant dans la bobine, et - un signal proportionnel à la tension d'alimentation du contacteur, 35 fournit par un diviseur de tension, formé par deux résistances R2 et R3.

Selon le fonctionnement d'un hacheur dévolteur, la tension moyenne aux bornes de la bobine du contacteur est le produit du rapport cyclique par la tension source. L'adaptation du rapport cyclique du dispositif hacheur dévolteur en fonction du niveau tension d'entrée permet d'alimenter la bobine avec une tension de valeur moyenne constante déterminée quelle que soit la valeur d'alimentation du contacteur. Cette valeur peut être fixée au seuil minimum d'appel pendant la phase d'appel et au seuil minimum de maintien pendant la phase de maintien.

Selon un mode de réalisation, lors de la phase d'appel, le rapport cyclique maximum de 100% est atteint pour la valeur minimum de la tension d'alimentation entrant dans la gamme de fonctionnement du contacteur. En phase de maintien, le rapport cyclique est ajusté automatiquement en fonction du courant à contrôler.

La bobine est de plus reliée de façon antiparallèle à une diode de roue libre D. La diode de roue libre permet de conserver l'énergie magnétique emmagasinée dans la bobine et limite les surtensions provoquées par la coupure de la commande du contacteur. Il est ainsi possible de conserver la fermeture du contacteur en cas de micro-coupures ou creux de tension, et d'effectuer un écrêtage de la tension. Ces dispositions permettent de pallier aux défaillances du réseau d'alimentation. La figure 5 illustre le fonctionnement de la carte, lorsqu'une tension d'alimentation est établie aux bornes du contacteur.

Si aucune tension n'est établie, la carte n'est pas alimentée, ce qui est représenté dans les étapes EO et E0'. Si une tension d'alimentation est établie, celle-ci est soumise à un filtrage par le composant de filtrage 12, puis un redressement est effectué par le composant redresseur 13, dans une première étape El Dans une seconde étape E2, la nature et le niveau de la tension d'alimentation sont détectés. Dans une troisième étape E3, Le seuil minimum d'appel est calculé. Le seuil minimum d'appel est le niveau minimal de tension aux bornes de la bobine 6 suffisant pour déclencher le décollement et la fermeture du circuit magnétique. Avec ce niveau de tension, la course des contacts mobiles présente une dynamique suffisante pour fermer le circuit électrique de puissance dans de bonnes conditions, définies par des contraintes normatives. Dans une quatrième étape E4, un signal PWM est généré pour contrôler l'alimentation de la bobine au seuil minimum d'appel.

Dans une cinquième étape E5, un test est effectué pour identifier si un changement de pente et l'intensité maximale dans la bobine sont atteints. Si ce n'est pas le cas, on reste à l'étape E4. Si le test est positif, dans une sixième étape E6, une régulation du courant au seuil minimum de maintien est opérée. Le seuil minimum de maintien est le niveau de courant juste suffisant pour maintenir l'électroaimant fermé, compte tenu des positions de montage du contacteur, de sa tenue aux chocs et vibrations, et du nombre de contacts auxiliaires associés, c'est-à-dire des charges mécaniques. Cette régulation est opérée jusqu'à ce qu'une commande de blocage du contacteur soit reçue, c'est-à-dire jusqu'à ce que la tension passe en dessous de la tension minimale d'alimentation du contacteur, ce qui est représenté par l'étape E7. La logique de commande assure un contrôle de la tension et du courant pendant la phase d'appel ce qui permet de réduire les chocs et les usures des pièces mécaniques et un contrôle du courant pendant la phase de maintien du contacteur, ce qui a l'avantage de réduire la puissance dissipée. La carte électronique 11 permet au contacteur de fonctionner sur une plage de tension d'alimentation large alternative ou continue. Le rapport entre les bornes minimum et maximum d'une plage de tension d'alimentation est compris entre 1.5 et 3. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas à la forme de réalisation préférentielle décrite ci-dessus, à titre d'exemple non limitatif ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes.

Claims

REVENDICATIONS

1. Contacteur électromagnétique comportant : - une bobine (6) de génération d'un champ magnétique, - un circuit magnétique comportant une partie fixe (7) et une partie mobile (8), et - une carte électronique (11) comprenant des moyens de contrôle de l'alimentation de la bobine (6) caractérisé en ce que la carte électronique (11) est disposée horizontalement au dessus de la partie fixe (7) du circuit magnétique, la partie mobile (8) traversant la carte électronique (11) par une ouverture (12) de la carte et coulissant à l'intérieur de la bobine.

2. Contacteur selon la revendication 1, dans lequel les parties 15 fixe (7) et mobile (8) du circuit magnétique présentent des formes sensiblement axisymétriques.

3. Contacteur selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel les parties fixe (7) et mobile (8) présentent en regard des portions coniques (18, 19), l'une convexe et l'autre concave. 20

4. Contacteur selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les parties fixe (7) et mobile (8) sont réalisées dans des éléments massifs.

5. Contacteur selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la partie fixe (7) forme un logement dans lequel la bobine (6) est reçue.

6. Contacteur selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la 25 partie fixe (7) du circuit magnétique comprend : - une portion cylindrique (14), - un fond (15) à une première extrémité de la portion cylindrique (14), et - une paroi (16) comprenant une ouverture de passage (17) de la 30 partie mobile (8) à une seconde extrémité de la portion cylindrique (14).

7. Contacteur selon la revendication 6, dans lequel la partie fixe (7) du circuit magnétique comprend : - un corps (13) formant la portion cylindrique (14) et le fond (15), et - un couvercle (16), formant la paroi comprenant une ouverture de 35 passage (17).

8. Contacteur selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que les éléments du contacteur sont empilables.

9. Contacteur selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel les moyens de contrôle de l'alimentation de la bobine (6) sont agencés pour alimenter la bobine (6) en courant continu, que la tension d'alimentation du contacteur soit alternative ou continue.

10. Contacteur selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel les moyens de contrôle de l'alimentation de la bobine (6) comportent des moyens de détermination d'une valeur de courant permettant de fermer le contacteur (7) ou de maintenir le contacteur (7) fermé, et des moyens permettant de limiter la valeur moyenne du courant d'alimentation de la bobine (8) à la valeur déterminée.