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Organe hybride de coupure pour circuit électrique
Contexte technique
L'invention s'inscrit dans le domaine des équipements électriques, notamment
les
équipements pour réseaux électriques à courant continu et tensions élevées
(réseaux HVDC pour High Voltage Direct Current ), tels que ceux que l'on
trouve à bord des aéronefs comme les avions ou les hélicoptères ou aussi pour
réseaux électriques à courant alternatif. Elle s'intéresse plus précisément à
des
organes de coupure et/ou de commutation, qui ont souvent une fonction de
protection d'un circuit (disjoncteurs). Ces organes peuvent être utilisés avec
du
courant continu ou continu modulé (MLI pour modulation de largeur d'impulsion)
ou du courant alternatif.
Dans ce domaine, on connait des organes électromécaniques de coupure et
commutation de type contacteur ou disjoncteur. Ces organes sont relativement
lents, et de plus ils s'usent par érosion du fait de la formation d'arcs
électriques au
niveau des contacts lors de l'ouverture du circuit électrique.
On connaît aussi des contacteurs et disjoncteurs statiques appelés contrôleurs
de
puissance à l'état solide ( Solid State Power Controller ou SSPC). Ces
composants remplacent parfois les organes électromécaniques classiques, et
sont
basés sur une structure de matériaux semi-conducteurs. Ils sont beaucoup plus
rapides que les organes électromécaniques, puisqu'ils sont en en mesure de
couper ou établir le courant en quelques microsecondes, contre quelques
millisecondes. Qui plus est, l'absence de matériaux de contact et de formation
d'arc électrique implique une usure moins rapide. Enfin, ils ont des fonctions
électriques plus fines, comme le respect de courbes de déclenchement en
fonction
de l'évolution du courant dans le circuit à protéger ou la régulation de la
tension
ou du courant. Et naturellement, ils sont moins lourds, ce qui est un enjeu
majeur
dans le domaine aéronautique, et consomment moins d'énergie, ce qui est
également un avantage considérable. Même si leur résistance à l'état passant
est
2
parfois assez élevée, il existe des matériaux semi-conducteurs, tels le SIC
qui ont
une résistance plus faible et qui sont donc potentiellement compatibles avec
les
tensions présentes sur les circuits primaires.
Malheureusement, les composants statiques n'ont guère de propriétés
d'isolation
galvanique, ce qui pose un problème dans les circuits à forte tension, et
également dans les circuits à forte intensité de courant. Actuellement, ils
sont
donc cantonnés, dans les aéronefs, à certains circuits secondaires où la
puissance
consommée n'est pas trop importante.
Il a été proposé d'associer des systèmes électromécaniques et des composants
statiques, en parallèle et en série, mais pour le moment les solutions
proposées
sont lourdes, encombrantes et difficiles à commander.
Définition de l'invention et avantages associés
Pour résoudre les difficultés évoquées ci-dessus, il est proposé un organe
hybride
de coupure pour circuit électrique comprenant un composant de coupure statique
et un composant de coupure électromécanique, le composant statique étant un
composant semi-conducteur de commutation fixé sur un support portant deux
contacts électriques pour le composant statique, ledit composant de coupure
électromécanique étant configuré pour mouvoir ledit support, à réception d'une
commande de coupure, de manière à retirer au moins un desdits contacts
électriques d'une broche respective, formant ainsi ledit composant de coupure
électromécanique caractérisé en ce que le support est configuré pour se
mouvoir
de manière à retirer au moins un des deux contacts électriques de sa broche
respective.
Un tel organe est particulièrement facile à intégrer dans un circuit, et ses
deux
composantes, statique et électromécanique, peuvent être commandées de
manière commune, centralisée. Il permet de se passer de fusible et donc de
gagner en impédance, de programmer des séquences de coupure adaptées aux
situations à risque rencontrées, et même de gérer des reconfigurations de
circuit
et de réseau, pour surmonter des pannes, par exemple.
Dans un mode de réalisation, le support est configuré pour se mouvoir en
rotation, ce qui permet de concevoir un organe compact et peu sensibles aux
conditions extérieures, notamment l'inclinaison.
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Dans un autre mode de réalisation, le support est configuré pour se mouvoir en
translation, ce qui permet de concevoir un organe pouvant couper des courants
importants sans que l'usure des contacts empêche son bon fonctionnement. Dans
ce mode de réalisation, il est avantageux que le mouvement du support soit __
/
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ce mode de réalisation, il est avantageux que le mouvement du support soit
amorti pour éviter les rebonds, et ainsi éviter la formation d'arcs
électriques
secondaires.
Le système peut de plus comprendre un système d'extinction d'arc électrique,
éventuellement basé sur une chambre de coupure polarisée par un aimant, et
éventuellement mettant en oeuvre un gaz à haute rigidité diélectrique ou une
extinction dans le vide.
Il est proposé que le composant statique soit configuré (ou commandé) pour
couper des courants nominaux ou de faibles courants le composant de coupure
électromécanique étant configuré (ou commander) pour couper des courants de
court-circuit ou de surcharge et assurer l'isolement galvanique.
Notamment, il est proposé une séquence de coupure, pour un courant de court-
circuit, au cours de laquelle le composant statique est actionné après un
temps
d'attente après l'ouverture électromécanique, permettant ainsi de dissiper une
partie de l'énergie de coupure dans un arc électrique avant de faire agir le
composant statique, qui peut donc être de petite taille. La séquence permet
néanmoins de couper très rapidement des courants élevés.
Il est aussi proposé une séquence de coupure, pour un courant nominal ou de
faible intensité, au cours de laquelle le composant statique est actionné
avant
l'ouverture électromécanique, ce qui permet une coupure très rapide, conjuguée
à
une isolation galvanique effective une fois le circuit ouvert.
L'invention porte aussi sur un circuit électrique en courant continu ou en
courant
alternatif comprenant un organe de coupure tel qu'évoqué.
Dans ce cas, le mouvement du support se fait entre deux positions de contact
correspondant à deux configurations du circuit distinctes.
L'invention porte aussi sur un réseau électrique en courant continu ou en
courant
alternatif pour aéronef comprenant un circuit électrique tel qu'évoqué,
l'organe de
coupure étant placé dans le circuit primaire du réseau, ou dans un circuit
secondaire du réseau.
Liste des figures
La figure 1 présente une architecture envisagée pour les réseaux électriques
aéronautiques.
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La figure 2 présente un mode de réalisation d'un organe hybride de coupure
selon
l'invention, en position courant passant.
La figure 3 présente le même organe de coupure, en cours d'actionnement.
La figure 4 présente une architecture de réseau électrique aéronautique
utilisant le
mode de réalisation présenté en figures 2 et 3.
La figure 5 présente un deuxième mode de réalisation d'un organe hybride de
coupure selon l'invention
La figure 6 présente une architecture de réseau électrique aéronautique
utilisant le
mode de réalisation présenté en figure 5 et une utilisation de cet organe de
coupure pour reconfigurer ce réseau.
La figure 7 présente une utilisation de l'organe de coupure des figures 3 et 4
pour
reconfigurer le réseau des figures 4 et 6.
L'invention va maintenant être décrite en relation avec les figures, qui sont
présentées à des fins illustratives, et non limitatives.
Description détaillée
En figure 1, une architecture de réseau électrique aéronautique est
représentée.
Elle implique un générateur 10 fournissant une tension alternative à 230 V, et
un
disjoncteur principal 20 protégeant l'aval du circuit, soit en premier lieu un
convertisseur AC/DC 30. Celui-ci convertit la tension alternative en une
tension
continue, par exemple à 270 V. Celle-ci est ensuite distribuée à trois
circuits
parallèles permettant l'alimentation de trois charges 51, 52 et 53. Ces
charges
sont protégées chacune par un organe de coupure de type composant statique 41,
42 et 43, ainsi que par un fusible 46, 47 et 48, placé en série avec l'organe
de
coupure 41, 42 et 43. Une telle architecture est basée sur un fonctionnement
normal au cours duquel c'est le composant statique qui protège les charges,
mais
prévoit que le fusible permet un isolement en cas de défaillance du composant
statique afin d'isoler le défaut (la charge) du reste du réseau électrique.
Une telle architecture a l'intérêt d'avoir une conception intégrée, car le
fusible peut
être placé sur le circuit imprimé du composant statique, mais elle implique
une
augmentation de l'impédance de ligne du fait de la résistance du fusible,
ainsi
qu'un risque de déclenchement lent ou inopérant si le courant de court-circuit
est
proche du courant de nominal. Qui plus est, si le fusible doit entrer en
action, il
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est nécessaire qu'une intervention soit ensuite menée pour remettre le circuit
en
fonctionnement, en remplaçant le fusible.
L'invention est présentée en lien avec le réseau électrique de la figure 1,
qui est à
courant continu, mais elle s'applique aussi à un réseau électrique à courant
5 alternatif.
En figure 2, on a représenté un organe de coupure intégré 100 comme celui
évoqué en relation avec la figure 1, mais qui résout les difficultés évoquées
ci-
dessus.
Un composant statique 101 est placé sur un support 110 plan rectangulaire
disposant en ses deux extrémités des contacts électriques 111 et 112
permettant
le passage d'un courant électrique au travers du composant statique 101. Ces
contacts 111 et 112 sont insérables dans deux broches 121 et 122 amont et aval
du circuit électrique dans lequel l'organe de coupure est à insérer. Ces
broches
assurent la fonction de contact électrique, mais l'insertion des contacts 111
et 112
est réversible, le composant statique et son support, qui constituent l'organe
de
coupure intégré 100, étant ainsi embrochables ou débrochables dans le circuit
électrique.
Le composant statique 101 est de manière générale un composant semi-
conducteur de commutation, tel un transistor, un composant MOSFET (transistor
à
effet de champ à grille métal-oxyde), un IGBT (transistor bipolaire à grille
isolée),
et il est de préférence encapsulé pour sa protection.
Un actionneur 130, par exemple un électroaimant, permet de faire tourner le
support 110 autour de son point central, dans son plan, dans un sens ou dans
l'autre, provoquant alors l'embrochage du composant statique ou son
débrochage.
L'actionneur 130 reçoit un ordre de commande en fonction du courant ou de la
tension mesuré.
Deux pôles électriques 141 et 142 positionnés par rapport aux broches 121 et
122
à un angle de 90 autour de l'axe de rotation permettent d'accueillir les
contacts
électriques 111 et 112 après une rotation de 90 du composant statique et, si
ces
pôles sont connectés à un circuit, d'opérer une commutation de circuit, comme
cela sera discuté en relation avec la figure 8. Entre chacun des pôles 121 et
122 et
les pôles 141 et 142 sont installées des chambres de coupure 151, 152, 153 et
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154, comprenant par exemple des ailettes de coupure, et un mélange gazeux
favorisant l'extinction des arcs électriques, comme le diazote (N2). Un
système
mettant en oeuvre un gaz à haute rigidité diélectrique ou une extinction dans
le
vide peut également être utilisé.
Si le courant est encore en train de passer quand la partie électromécanique
est
actionnée, des arcs électriques sont créés, soufflés et fragmentés dans les
chambres de coupure dans lesquelles les contacts 111 et 112 sont déplacés
après
leur débrochage des pôles 121 et 122.
On préfère utiliser des chambres de coupure polarisées afin que la vitesse de
soufflage de l'arc électrique soit assez rapide et ait comme conséquence
d'augmenter l'efficacité de la coupure du courant.
La polarisation est représentée en figure 3, où l'on a figuré le champ
magnétique,
qui est perpendiculaire au plan du support 110 du composant statique 101,
c'est-
à-dire aussi perpendiculaire au plan de rotation. On a figuré précisément un
champ magnétique B1 dans la chambre de coupure 151 entre les pôles 121 et
142, et un champ magnétique B2 dans la chambre de coupure 153 entre les pôles
141 et 122. Les champs B1 et B2 sont à contresens l'un de l'autre. Le courant
électrique arrive quant à lui par le contact 121, comme indiqué par les
flèches il
et i2.
Sur cette figure, est également représenté le mouvement du support 110 lors de
l'ouverture de la partie électromécanique de l'organe de coupure. Le contact
111
se déplace du pôle 121 vers le pôle 142 et le contact 112 se déplace du pôle
122
vers le pôle 141. Des arcs électriques apparaissent entre le contact 111 et le
pôle
121 et entre le contact 112 et le pôle 122. Ces arcs sont soufflés et
fragmentés
dans les chambres de coupure 151 et 153, grâce à la polarisation de celles-
ci, ainsi qu'aux ailettes métalliques de fragmentation. Les flèches 161 et 162
montrent la direction et l'orientation du soufflage des deux arcs électriques,
soit
vers l'extérieur du dispositif.
Une telle situation dans laquelle le courant passe au moment de l'activation
de la
partie électromécanique est intéressante à mettre en oeuvre pour des courants
élevés, comme des courants de court-circuit ou des courants dont l'intensité
dépasse un seuil, ou dont la dérivée est très élevée. Egalement, on applique
cette
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stratégie si la chambre de coupure est efficace pour fragmenter l'arc
électrique, ce
qui dépend des caractéristiques de la chambre de coupure et de l'intensité du
courant.
Dans un tel cas, il est proposé d'actionner la partie électromécanique à
l'aide d'une
commande adressée à l'actionneur 130, qui provoque les mouvements présentés
en figure 3. Puis quelques instants plus tard, une commande est adressée au
composant statique 101 pour qu'il coupe également le passage du courant.
Physiquement, la séquence implique la création des arcs électriques présentés
en
figure 3, avec une tension d'arc d'autant plus élevée que la chambre de
coupure
joue son rôle efficacement. La puissance P fournie par le générateur 10 est
alors
dissipée en partie voire en totalité dans les arcs électriques, et l'intensité
du
courant suit la loi I = P/U, U étant la tension d'arc, qui est maximisée par
la
chambre de coupure. On obtient un courant qui diminue donc rapidement, pour
disparaître, dans l'hypothèse où le composant statique 101 n'est pas actionné,
en
l'espace d'une milliseconde. Néanmoins, l'invention propose d'actionner le
composant statique 101 au bout de par exemple 100 ou 400 ps, en fonction de la
puissance électrique en jeu. Une telle séquence permet de dissiper une partie
de
l'énergie électrique dans l'arc électrique sans créer de forte érosion des
contacts
électriques 121, 111, 122 et 112. Elle permet aussi de ne dimensionner le
composant statique 101 que pour couper des courants d'intensité limitée, ce
qui
permet de conserver un dispositif compact. Enfin, le temps de coupure global
est
court par rapport à un organe électromécanique classique, puisqu'on peut
obtenir
un facteur 10 entre les temps de coupure habituellement obtenus avec des
dispositifs électromécaniques classiques et les organes hybrides présentés ici
et
utilisant la séquence évoquée.
Par ailleurs, on propose, si besoin est, d'adapter la séquence à l'état
thermique du
composant statique.
Mais le même organe de coupure intégré 100 présenté en figure 2 peut aussi
être
utilisé pour couper des courants nominaux ou de très faible intensité. Par
contre,
dans ce cas, la commande du dispositif se fait selon une séquence inversée,
car
pour de tels courants, la chambre de coupure serait peu efficace et le temps
de
coupure au final long. Ainsi, la commande commence par activer le composant
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statique 101, puis active la partie électromécanique du système, pour assurer
le
sectionnement physique du circuit électrique. Le composant statique 101 permet
d'obtenir un temps de coupure très court. Il n'a pas besoin d'être dimensionné
de
manière trop encombrante, dans la mesure où seuls des courants à couper
faibles
sont concernés.
La figure 4 présente un circuit électrique aéronautique dans lequel le
dispositif de
coupure 100 est inséré. On reconnait la plupart des éléments du circuit de la
figure 1, mais les couples fusibles + composant statique 41, 46 d'une part,
42, 47
d'autre part et enfin 43, 48 sont remplacés respectivement par des dispositifs
de
coupure hybride 100. Le fait que ceux-ci soient embrochables ou débrochables
est
représenté par des doubles flèches. Le premier des dispositifs de coupure
hybride
est représenté en position commuté, puisque les contacts sont coupés et que le
support est basculé de 90 .
L'organe de coupure hybride 100 présentés ci-dessus est basé sur un support
110
en rotation autour d'un axe. Il a l'avantage de pouvoir être conçu de manière
compacte et de fonctionner de manière fiable dans de nombreuses conditions et
orientations.
En figure 5, il est présenté un autre exemple de réalisation de l'invention,
basé
cette fois-ci sur un support 510 en translation. Il s'agit d'un organe de
coupure
hybride 500.
De manière très similaire à ce qui a été présenté en relation avec la figure
2, un
composant statique 501 est placé sur un support 510 plan rectangulaire
disposant
en ses deux extrémités des contacts électriques 511 et 512 permettant le
passage
d'un courant électrique au travers du composant statique 501. Ses connexions
511
et 512 sont mises en contact électriquement avec des connexions 521 et 522
amont et aval du circuit électrique dans lequel l'organe de coupure est à
insérer.
L'insertion des contacts 111 et 112 est réversible.
Un actionneur 530, par exemple un électroaimant, permet de faire translater le
support 510 perpendiculairement à la ligne des connexions 521 et 522, c'est à
dire
également perpendiculairement à la ligne des contacts 511 et 512, provoquant
la
connexion ou déconnexion électrique du composant statique. L'actionneur reçoit
un ordre de commande en fonction du courant et/ou de la tension mesuré. Des
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ressorts 531 et 532 permettent de rendre l'ouverture et la fermeture du
système
électromécanique élastique afin d'éviter les rebonds des contacts électriques,
ce
qui pourrait avoir l'inconvénient de créer des arcs électriques secondaires.
Le
dispositif est de préférence positionné de manière verticale, c'est-à-dire
avec la
succession ressort 531, support 510, ressort 532 du haut vers le bas.
Deux pôles électriques 541 et 542 positionnés par rapport aux broches 521 et
522
à une certaine distance parallèlement à l'axe de translation permettent
d'accueillir
les contacts électriques 511 et 512 après une translation du composant
statique et
de son support et, si ces pôles sont connectés à un circuit, d'opérer une
commutation de circuit, comme cela sera discuté en relation avec la figure 7.
Entre les pôles 521 et 541 et les pôles 522 et 542 sont installées des
chambres de
coupure 551 et 552 comprenant par exemple des ailettes de coupure, et un
mélange gazeux favorisant l'extinction des arcs électriques. Le système de
soufflage des arcs électriques est similaire à celui décrit précédemment. Il
implique une polarisation avec des champs magnétiques B1 et B2 dans les
chambres 551 et 552, à contresens l'un de l'autre, pour souffler les arcs vers
l'extérieur de l'organe de coupure 500. Les arcs sont représentés ici dans
l'hypothèse d'un déplacement du support 510 des pôles 541, 542 vers les pôles
521, 522. Le sens du courant est indiqué par des flèches il, i2 et la force de
soufflage par des flèches 561, 562.
Ce mode de réalisation basé sur un système en translation est particulièrement
intéressant pour la coupure de courants élevés, car en cas de dégradation de
la
surface des contacts et pôles 511, 512, 521, 522, 541 et 542, la fonction de
contact sera toujours assurée et la translation toujours possible. Ainsi le
système
est particulièrement robuste même pour des puissances élevées.
En figure 6, on a représenté un exemple de reconfiguration de circuit
utilisant
l'organe de coupure 500. On reconnait à nouveau la plupart des éléments du
circuit de la figure 1, mais les couples fusibles + composant statique 41, 46
d'une
part, 42, 47 d'autre part et enfin 43, 48 sont remplacés respectivement par
des
dispositifs de coupure hybride 500.
La reconfiguration présentée est effectuée dans l'hypothèse d'une panne de
l'organe de commande commandant l'organe de coupure protégeant la charge 51
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(panne représentée par un éclair). L'organe de coupure est alors écarté, à
l'aide
de la fonction électromécanique de l'organe. Si la charge 51 est un système
prioritaire dont on doit assumer une continuité de service, ce qui n'est pas
le cas
de la charge 52, on choisit alors d'utiliser l'organe de coupure protégeant la
5 charge 52 pour alimenter et protéger la charge 51. Cela passe par une
translation
de l'organe de coupure de la charge 52 des pôles 521 et 522 qui sont placés
pour
amener le courant à la charge 52, au pôles 541 et 542 qui sont placés pour
amener, en secours, le courant à la charge 51.
En figure 7, on a représenté un autre exemple de reconfiguration de circuit,
très
10 similaire à celui de la figure 6, mais utilisant l'organe de coupure
hybride 100,
basé sur une rotation. A nouveau, la charge 51 est considérée comme
prioritaire,
mais son organe de coupure est en panne. On le retire en effectuant une
rotation
de celui-ci, puis on effectue également une rotation de l'organe de coupure
alimentant la charge 52, de manière à ce que celui-ci ne soit plus en contact
avec
les pôles 121 et 122 placés pour l'alimentation de la charge 52, mais avec des
pôles 141 et 142 placés pour alimenter en secours la charge 51.
Les reconfigurations du réseau présentées en figures 6 et 7 permettent
d'augmenter la fiabilité du système. Elles peuvent être mises en oeuvre sur le
réseau secondaire mais également sur le réseau primaire, grâce à la capacité
des
organes de coupure présentés de couper des courants élevés.
L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation présentés. Notamment,
il
n'est pas absolument indispensable, pour appliquer les principes de
l'invention de
déplacer les deux contacts du support portant le composant de coupure
statique.
Ainsi, un système avec une rotation autour d'un axe placé au niveau d'un des
deux contacts peut également remplir les fonctions évoquées, avec trois pôles
au
lieu de quatre.
