Structure et principe du mécanisme de fonctionnement du disjoncteur ABB VD4

Le VD4Le disjoncteur moyenne tension VD4 d'ABB, réputé pour sa fiabilité, s'est vendu à près d'un million d'exemplaires dans le monde. Des pannes surviennent, notamment au niveau de son mécanisme de commande. Le personnel de maintenance s'appuie sur le manuel d'ABB, mais les guides détaillés sont rares. En analysant un VD4 mis au rebut, l'auteur apporte des éclairages précieux pour faciliter les interventions pratiques.

Le mécanisme VD4 est doté d'un ressort à spirale plan et d'un arbre principal, avec déclenchement à plusieurs étages pour le maintien et la conversion de la position, la sortie se faisant par l'intermédiaire d'un levier à came.

1. Stockage d'énergie :

Le VD4 utilise des ressorts à spirale planaires stables, améliorant ainsi l'efficacité du mécanisme par rapport aux ressorts traditionnels.

Texte modifié:

Figure 1 : Ressort à spirale plane

Comme illustré sur la figure 1, une extrémité du ressort hélicoïdal est fixée à l'arbre principal, tandis que l'autre extrémité est fixée au boîtier du ressort. Lors du stockage d'énergie, l'extrémité du ressort hélicoïdal fixée à l'arbre principal reste immobile, et le moteur de stockage d'énergie ou le basculeur de stockage d'énergie fait tourner le boîtier du ressort dans le sens horaire (vu de la gauche du mécanisme ; cette orientation est la même pour l'ensemble du mécanisme) via le cliquet, la chaîne et la grande roue dentée, tendant ainsi le ressort hélicoïdal.

En ce qui concerne les opérations d'ouverture et de fermeture, l'extrémité de la spirale du ressort est fixe, et lors du déclenchement du mécanisme, l'arbre principal tourne dans le sens horaire sous l'effet du ressort, libérant ainsi l'énergie stockée.

Le VD4 utilisant un ressort hélicoïdal plan, la transition entre les états « déchargé » et « chargé » de ce ressort diffère de celle de la plupart des mécanismes à ressort. Elle repose sur un système de fixation à entrefer sur l'enveloppe du ressort, assuré par la coordination d'un disque, d'une came auxiliaire fixée à l'arbre principal et d'un galet monté sur la bielle de stockage d'énergie. En d'autres termes, une fois le stockage d'énergie terminé, le galet, entraîné par la bielle de stockage d'énergie, s'engage dans une encoche du disque. La bielle de stockage d'énergie pivote alors selon un angle précis, ce qui active le contact auxiliaire de stockage d'énergie et l'indicateur mécanique de stockage d'énergie, faisant ainsi basculer le dispositif à l'état « Énergie stockée ». Inversement, lors de la fermeture du disjoncteur, le rayon maximal de la came auxiliaire traverse l'entrefer du disque, repoussant le galet vers le bord extérieur de celui-ci. Cette action ramène la bielle de stockage d'énergie à son angle d'origine, ce qui a pour effet de faire revenir le contact auxiliaire de stockage d'énergie et l'indicateur mécanique de stockage d'énergie à l'état « Énergie non stockée ».

Figure 2 : Schéma de la transition d'état du stockage d'énergie

Il est important de noter que, dans le cas d'un interrupteur VD4 traditionnel en position ouverte sans stockage d'énergie, une quantité importante d'énergie reste stockée dans le ressort à spirale planaire. Par conséquent, des précautions de sécurité doivent être prises.

2. Module de voyage

Le module de déclenchement du mécanisme de commande de l'interrupteur VD4 arbore un design élégant et distinctif. Malgré sa complexité apparente, après démontage et analyse, l'ensemble du module de déclenchement se décompose en trois structures de déclenchement fondamentales :

Le premier étage du dispositif de déclenchement se compose du galet avant et du disque de frein de la grande plaque en forme d'éventail, formant un dispositif de déclenchement spécialisé de type « arrêt + galet ». Le deuxième étage comprend la grande plaque en forme d'éventail et le grand demi-arbre, constituant ainsi un dispositif de déclenchement classique de type « demi-arbre + plaque en forme d'éventail ». Le troisième étage inclut le demi-arbre d'ouverture, la plaque en forme d'éventail d'ouverture, le demi-arbre de fermeture et la plaque en forme d'éventail de fermeture, qui forment ensemble deux ensembles de dispositifs de déclenchement de type « demi-arbre + plaque en forme d'éventail ».

Figure 3 : Schéma structurel du module de déclenchement

Le module de déclenchement du mécanisme de commande de l'interrupteur VD4 assure à la fois une fonction de maintien et de déclenchement. Examinons ces fonctions plus en détail.

Fonction de maintien:

Prenons l'exemple de la position de fermeture : une fois la fermeture terminée, le galet avant du grand disque en forme d'éventail s'engage dans la rainure correspondante du disque de frein. À ce stade, le grand demi-arbre est solidement maintenu en place par le système de serrage formé par les disques d'ouverture et de fermeture. Ceci empêche le soulèvement des galets avant des grands disques de fermeture, bloquant ainsi efficacement le disque de frein et maintenant l'arbre principal en position fermée.

Fonction de déclenchement:

Prenons maintenant comme exemple le fonctionnement du déclenchement lors de l'ouverture. Lorsque le mécanisme reçoit une commande d'ouverture, le demi-axe d'ouverture pivote dans le sens horaire d'un angle précis. Ce mouvement entraîne la perte de son point d'appui temporaire par le disque en forme d'éventail et sa rotation dans le sens horaire, désintégrant ainsi la structure de support en forme de pince formée par les disques en forme d'éventail d'ouverture et de fermeture. Par conséquent, le grand demi-axe pivote dans le sens antihoraire sous l'action du ressort de rappel, libérant le grand disque en forme d'éventail. Ce dernier soulève alors le galet avant sous l'action du ressort de rappel, libérant le disque de frein. Le disque de frein pivote dans le sens horaire sous l'action du ressort hélicoïdal, amorçant ainsi l'ouverture.

Lors de l'ouverture, la bielle de l'arbre auxiliaire (figure 4) repousse le secteur d'ouverture pour le remettre en place et le réengage avec le demi-arbre d'ouverture. Ceci rétablit la structure de support en forme de pince formée par les secteurs d'ouverture et de fermeture et ramène le grand demi-arbre à son angle initial. Simultanément, les disques auxiliaires situés de part et d'autre du disque de frein agissent sur les galets arrière du grand plateau en forme d'éventail, qui tournent avec l'arbre principal. Ceci soulève la partie arrière du grand plateau et abaisse sa partie avant, la préparant ainsi au verrouillage suivant du galet avant sur le disque de frein.

Figure 4 : Position d'ouverture et de fermeture de la bielle de l'arbre auxiliaire

La bielle de l'arbre auxiliaire joue un rôle crucial dans le fonctionnement du mécanisme de commutation VD4. Elle assure une transition fluide entre les positions d'ouverture et de fermeture en reliant les plateaux sectoriels d'ouverture et de fermeture et en facilitant leur mouvement.

3. Module de sortie

Le module de sortie du mécanisme de commande VD4 est un composant essentiel qui convertit le mouvement de rotation de l'arbre principal en mouvement linéaire nécessaire à l'ouverture et à la fermeture du disjoncteur. Il se compose de trois disques à cames montés sur l'arbre principal et de trois biellettes mobiles à double bras situées à la base du mécanisme.

Le mécanisme à double bras articulé fonctionne comme un levier, son point d'appui étant situé au centre. L'extrémité avant du levier est actionnée par le disque à came sur l'arbre principal, tandis que l'extrémité arrière est reliée à la tige de traction isolante de la bulle d'aspiration et au ressort d'ouverture.

Lors de la fermeture, le disque à cames tourne avec l'arbre principal, exerçant une pression sur les galets situés à l'extrémité avant de la biellette mobile à double bras. Cette action soulève l'extrémité arrière de la biellette, repoussant la tige de traction isolante vers le haut et fermant les contacts dynamiques et statiques à l'intérieur de la bulle à vide. Simultanément, le ressort d'ouverture se comprime, emmagasinant de l'énergie pour l'ouverture suivante.

À l'inverse, lors de l'ouverture, le disque à came tourne en sens inverse, libérant les galets situés à l'extrémité avant de la biellette mobile à double bras. Ceci permet au ressort d'ouverture de se détendre, séparant les contacts dynamiques et statiques et ouvrant le circuit.

4. Fonction de verrouillage

Le mécanisme de commande du VD4 intègre une fonction de verrouillage complète qui renforce la sécurité et la fiabilité. Voici un aperçu détaillé de chaque fonction de verrouillage :

1. Interdiction de fermer lorsque le chariot est en position intermédiaire:
   • Un électroaimant de verrouillage de fermeture (Y1) est installé.
   • Les interrupteurs de fin de course (S8 et S9) sont connectés en parallèle avec l'électroaimant de verrouillage de fermeture pour former le circuit de verrouillage de fermeture.
   • Lorsque le chariot manuel est en position de test ou en position de travail, S8 ou S9 se connecte au circuit de verrouillage de fermeture, chargeant l'électroaimant de verrouillage de fermeture et libérant le verrouillage mécanique du demi-axe de fermeture.
   • Un interrupteur auxiliaire (S2) dans le circuit de fermeture du disjoncteur est connecté en série avec le noyau de fer mobile de l'électroaimant de verrouillage de fermeture, préparant le circuit à exécuter la commande de fermeture mentionnée ci-dessus, la mesure combine verrouillage mécanique et verrouillage électrique, ce qui constitue un schéma de verrouillage complet.

La description fournie détaille l'importance et la fonction de l'interrupteur auxiliaire S2 dans le circuit de fermeture d'un schéma de câblage de commande électrique VD4 pour un disjoncteur de type chariot. Voici un résumé concis et une explication des points clés :

Interrupteur auxiliaire S2 dans le circuit de fermeture

1. Fiabilité de verrouillage améliorée:
   • L'interrupteur auxiliaire S2 est utilisé conjointement avec le verrouillage mécanique fourni par l'électroaimant de verrouillage de fermeture Y1.
   • Ce mécanisme de double verrouillage accroît la fiabilité de la fonction de verrouillage du disjoncteur.
2. Prévention de la surchauffe et des dommages:
   • Si S2 n'est pas inclus dans le circuit de fermeture et que le chariot du disjoncteur reçoit une commande de fermeture alors qu'il est en position intermédiaire, le circuit de fermeture serait alimenté.
   • En raison de l'action de blocage de l'électroaimant de verrouillage de fermeture Y1, le demi-axe de fermeture ne peut pas tourner, empêchant ainsi la fermeture du disjoncteur.
   • Cela entraînerait une alimentation prolongée de l'électroaimant de fermeture, provoquant sa surchauffe et potentiellement sa destruction.
3. Rôle de commutateur auxiliaire:
   • L'inclusion de S2 dans le circuit garantit que l'électroaimant de fermeture n'est alimenté que lorsque le disjoncteur est dans la position correcte pour la fermeture.
   • Cela évite une mise sous tension inutile et d'éventuels dommages à l'électroaimant.

Mécanisme de verrouillage de fermeture

1. Verrouillage mécanique:
   • Le mécanisme de verrouillage de fermeture est un système purement mécanique qui utilise une structure à quatre éléments composée de la plaque de verrouillage du disjoncteur, du levier de verrouillage et du levier de verrouillage.
   • Ce mécanisme est établi entre la vis-mère du châssis et le demi-arbre de fermeture du disjoncteur.
2. Fonctionnalité:
   • Lorsque le chariot à disjoncteur est en position de test ou de travail, la plaque de verrouillage du disjoncteur dans le châssis est horizontale, permettant à l'arbre de fermeture de tourner librement.
   • Lorsque le chariot manuel est en position intermédiaire, la plaque d'interverrouillage est soulevée par la vis-mère, ce qui provoque l'engagement du levier de verrouillage avec la came en plastique du demi-arbre de fermeture, bloquant ainsi sa rotation.

En conclusion, l'interrupteur auxiliaire S2 du circuit de fermeture et le mécanisme de verrouillage de fermeture sont deux composants essentiels qui garantissent le fonctionnement sûr et fiable du chariot de disjoncteur. Ils agissent de concert pour empêcher toute manœuvre de fermeture non autorisée ou dangereuse et protéger l'équipement contre tout dommage potentiel.

Figure 6 Mécanisme de verrouillage de fermeture

La description fournie présente en détail les composants du châssis du chariot à bras VD4 et leurs fonctions, en mettant l'accent sur les mécanismes de sécurité et les contraintes d'utilisation. Voici un résumé et une explication des points clés :

1. Déformation et entretien du châssis:
   • L'étude a révélé que la déformation ou le blocage du châssis peut empêcher le verrouillage mécanique de se déverrouiller correctement, ce qui entraîne la combustion de la bobine de fermeture.
   • Pour éviter cela, une inspection et un entretien réguliers des composants concernés doivent être effectués afin de garantir le bon état de fonctionnement du châssis.
2. Blocage du mouvement du chariot manuel lorsque le disjoncteur est fermé:
   • L'interrupteur VD4 utilise un mécanisme de verrouillage mécanique pour empêcher le déplacement du chariot manuel vers l'intérieur ou l'extérieur lorsque le disjoncteur est fermé.
   • Ceci est réalisé grâce à la coopération entre le cadre de verrouillage sur la plaque d'interverrouillage et les rouleaux avant de la liaison mobile à double bras de phase B.
   • Lorsque le disjoncteur est fermé, les rouleaux avant s'abaissent, créant un léger espace avec le cadre de verrouillage. Toute tentative de déplacement du chariot entraînera la poussée de la vis-mère contre la plaque d'interverrouillage, ce qui bloquera le mouvement.
3. Blocage de l'interrupteur de fermeture sans stockage d'énergie:
   • Il est crucial que le disjoncteur dispose d'une énergie suffisante en stock avant de pouvoir être fermé.
   • Sans stockage d'énergie ou avec un stockage d'énergie incomplet, la vitesse et la force de fermeture diminueront, ce qui peut entraîner une défaillance de la fermeture.
   • L'interrupteur VD4 utilise une coopération entre la plaque de verrouillage du stockage d'énergie et la plaque d'extension de la plaque de fermeture en forme d'éventail pour bloquer la fermeture lorsqu'il n'y a pas de stockage d'énergie.
   • Une fois le stockage d'énergie terminé, le galet de la bielle de connexion du dispositif de stockage d'énergie s'engage avec le disque, permettant ainsi au disjoncteur de se fermer normalement.

En résumé, les composants du châssis du chariot manuel VD4 intègrent des mécanismes de sécurité empêchant tout dysfonctionnement, comme le blocage du mouvement lorsque le disjoncteur est fermé et l'arrêt du chariot en cas d'énergie stockée insuffisante. Un entretien et une inspection réguliers de ces composants sont indispensables pour garantir le fonctionnement sûr et fiable de l'équipement.

Figure 8 a Position de la plaque de verrouillage du stockage d'énergie lorsque l'énergie est stockée

Texte révisé:

La figure 8(b) illustre la position de la plaque de verrouillage du stockage d'énergie lorsqu'aucune énergie n'est stockée.

Pour compléter le mécanisme de verrouillage mécanique susmentionné, l'interrupteur VD4 est également connecté en série avec l'interrupteur auxiliaire de stockage d'énergie S1 (comme illustré sur la figure 5) au sein du circuit de fermeture. Ce montage renforce la fonction de verrouillage électrique et protège contre la surchauffe de l'électroaimant de fermeture.