2. Alimentation électrique

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28
chapitre
Alimentation
électrique
Rappel des grandes règles, normes et habitudes
à suivre pour traiter l'interface entre la distribution
électrique et la machine. Présentation des fonctions
de l'alimentation, de la puissance et du contrôle
2. Alimentation
électrique
Sommaire
1
2
2.1
Introduction
Page
2.2
L’alimentation électrique des machines
Page
2.3
Les normes et habitudes
Page
2.4
Les fonctions de l’alimentation électrique
Page
2.5
L’alimentation du circuit de contrôle
Page
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
M
29
2. Alimentation
électrique
2.1
2.1
2.2
2.3
Introduction
L’alimentation électrique des machines
Les normes et habitudes
Introduction
Ce chapitre aborde l’alimentation en énergie électrique de l’équipement
électrique des machines. Cette alimentation assure des fonctions situées
à l’interface entre l’installation électrique et la machine et doit satisfaire
aux règles et contraintes techniques de ces deux domaines (C Fig.1).
Nous allons détailler ce dernier et nous renverrons le lecteur au Guide de
l’installation électrique qui complète les informations données ici.
A Fig. 1
2.2
L’architecture de l’alimentation électrique
L’alimentation électrique des machines
Comme illustré sur le schéma figure 2 l’alimentation électrique comporte
deux parties :
La partie circuit de puissance est destinée à alimenter les différentes
charges de la machine telles que les moteurs, les circuits de chauffages,
par l’intermédiaire des constituants de commande de puissance
(les pré-actionneurs). Les tensions usuelles vont de 200 à 660 V en
triphasé et de 120 à 230 V en monophasé.
La partie circuit de contrôle est destinée à alimenter les composants
d’automatisme tels que les bobines de contacteurs, les électrovannes,
les automates, les capteurs, etc. Les tensions usuelles sont celles de la
basse tension (120 à 200 V en monophasé) et de la très basse tension
(12 à 48 V).
A Fig. 2
2.3
Les fonctions de l’alimentation électrique
Cet ensemble est souvent dénommé « tête d’équipement » et assure un
ensemble de fonctions qui seront décrites dans le paragraphe 2.4.
Les normes et habitudes
Comme nous l’avons précédemment mentionné, l’alimentation électrique
est soumise aux contraintes de deux domaines :
b L’installation électrique
Chaque pays a ses habitudes et défini ses propres règles, ce qui a pour
conséquence une multitude de normes différentes, comme la C15-100 en
France. Nous pouvons cependant résumer les contraintes et habitudes
sur l’appareillage d’entrée de l’équipement aux points suivants :
- la tension réseau. Une table des tensions par pays est fournie dans le
Guide de l’installation électrique et les caractéristiques des réseaux de
distribution public sont données dans l’EN 50160:1999,
- la distribution du neutre et son régime,
- les habitudes de câblage,
- les normes produits et les distances d’isolement,
- les types de fusibles en cas d’utilisation de porte fusibles ou
d’interrupteurs fusibles.
30
2. Alimentation
électrique
2.3
Les normes et habitudes
b La machine
L’effort d’harmonisation autour de la norme IEC 60 204-1 facilite
l’exportation et l’utilisation des machines à travers le monde. Seuls
quelques pays ont conservés des particularités. Nous rapportons un
extrait des plus importantes différences dans le tableau de la Figure 3.
Les schémas TN-C ne sont pas admis dans les installations à basse tension
dans les bâtiments (Norvège).
Les schémas TT de puissance ne sont pas autorisés (USA).
La coupure du conducteur neutre est obligatoire en schéma TN-S (France et
Norvège).
la distribution d’un conducteur neutre dans un schéma IT n’est pas autorisée
(USA et Norvège).
La tension nominale maximale d’un circuit de commande en alternatif est de
120 V (USA).
La section minimale des conducteurs en cuivre est spécifiée dans l’ANSI/NFPA
79 en dimensions américaines (AWG) (USA). L’annexe G de la norme donne les
sections équivalentes du système AWG en mm_.
La couleur BLANCHE ou GRISE est utilisée pour repérer les conducteurs
neutres mis à la terre au lieu du BLEU (USA et Canada).
Exigences de marquage de plaque signalétique (USA).
A Fig. 3
Particularités normatives et habitudes de certains pays
b Trois zones d’influence
Malgré les disparités des normes et habitudes par pays, nous pouvons
identifier trois zones d’influence : L’Europe, Les USA et le Japon (C Fig.4).
Zone
d’influence
USA
Europe
Tension
réseau 3~
480 V
400 V
Règles /
normes
d’installation
BT
NEC
IEC 60364
JIS 0364
Voir les écarts
ci-dessus
IEC60204-1
IEC 60204-1
JIS-B 9960
Appareillage
Disjoncteur
de tête
Interrupteur /
d’équipement fusibles
UL489
IEC 60947
JIS-C 8201-2-1
UL98
IEC 60269
Fusibles
différents par
pays
JIS-C-8269
Contacteurs /
disjonteurs
moteurs
UL508
IEC 60947
JIS-C 8201-4-1
Connecteurs
> 100 A
Connecteurs,
vis étrier,
connexions
élastiques
Cosses
fermées
Câbles en
parallèle
Câbles avec
cosses ou
barres
Câbles avec
cosses
fermées
Distribution
électrique
Normes
équipement
machines
Type de
< 100 A
raccordement
amont
> 100 A
A Fig. 4
Japon
220 V
Exigences dans les différentes zones d’influence
31
2
2. Alimentation
électrique
2.4
2.4
Les fonctions de l’alimentation électrique
Les fonctions de l’alimentation électrique
Nous pouvons distinguer trois groupes de fonctions :
b Alimenter et interrompre les circuits de puissance et de
contrôle de la machine en veillant aux points suivants
v Le pouvoir de coupure
En fonction de la puissance installée, l’intensité de court-circuit présumée
en cas d’incident peut varier de quelques kA à plusieurs centaines de kA.
L’appareillage devra donc être dimensionné en conséquence.
v La tenue aux court-circuits
Un court-circuit en aval de l’équipement électrique ne doit pas entraîner la
destruction de l’appareillage.
v La capacité de raccordement
Le câblage interne des équipements est toujours réalisés en cuivre, il est
à noté que des utilisateurs se servent de l’aluminium pour leur installation
électrique. L’appareillage d’entrée devra donc accepter ces deux types de
connexions.
v La commande manuelle sur le produit ou déportée sur
l’armoire
Les règles de sécurité imposent une commande directe sur l’armoire
électrique permettant d’assurer l’interruption et le sectionnement par
rapport à l’installation.
b Protéger les personnes
En règle générale, les armoires électriques sont verrouillées pendant les
phases d’exploitation. Les opérateurs n’y ont donc pas accès. La
réglementation impose des contraintes sur la protection des personnes
lors des interventions à l’intérieur des équipements électriques, en
particulier pendant les phases de mise en route et de maintenance. La
protection des personnes impose le respect de certaines règles :
- protection IP20 contre le toucher des connexions internes,
- sectionnement.
Cette fonction est destinée à assurer la mise hors tension de tout ou
partie d’une installation en séparant l’installation ou une partie de
l’installation de toute source d’énergie électrique, pour des raisons de
sécurité.
• Isolement
Lorsqu’un organe de commande est ouvert les caractéristiques d’isolation
doivent être assurées, c’est à dire que le courant de fuite doit être
inférieur au seuil de danger.
• Consignation (cadenassage)
Cette fonction vise à interdire à une personne non autorisée de remettre
sous tension un équipement électrique.
• Isolement du contrôle
Il doit être suffisant pour protéger les personnes et le matériel électrique
contre les surtensions et les autres pollutions électriques
• Liaisons équipotentielles
Selon les régimes de neutre utilisé, les règles d’installation peuvent
imposer des masses à la terre ou des masses isolées.
32
2. Alimentation
électrique
2.4
2.5
Les fonctions de l’alimentation électrique
L’alimentation du circuit de contrôle
b Protéger le réseau de distribution
La protection contre les incidents pouvant provenir de la machine doit
prendre en compte le pouvoir de coupure et les contraintes de
coordination et de sélectivité. Un incident ne doit pas avoir de
répercussions sur le reste de l’installation.
b L’alimentation du circuit de puissance
Pour satisfaire aux fonctions nécessaires, le tableau de la figure 5 donne
un résumé des fonctions remplies par les produits de puissance.
Fonction
Porte
Sectionnement
Interrurpteur Interrurpteur Interrurpteur
Disjoncteur
Interrurpteur
Relais
magnétique
ligne
différenciel
XX
XX
XX
XX
XX
XX
XX
X
XX
fusibles
Vario
INS
fusibles
XX
XX
XX
X
XX
Interruption
Protection court-circuits
XX
Isolation
XX
XX
XX
XX
XX
XX
X
X
XX
XX
X
XX
XX
XX
XX
XX
X
XX
Tenue aux court-circuits
Consignation
Protection contre les
défauts de terre
A Fig. 5
2.5
option
XX
Tableau comparatif des dispositifs
L’alimentation du circuit de contrôle
L’alimentation du contrôle est soumise à des contraintes réglementaires
et technologiques. Le besoin de protection des personnes incite
l’utilisation des alimentations très basses tensions (TBT). C’est à dire des
tensions inférieures à 50V. L’utilisation répandue des constituants
électroniques impose l’usage du courant continu pour les alimenter.
En dehors des applications très simples, qui restent en basse tension, et
des applications particulières. La tendance est d’utiliser des alimentations
en courant continu TBT.
b Les alimentations 24V
Nous traiterons ici des différents types de source 24V. Cette tension est
devenue un standard dans l’industrie. La majorité des constructeurs offre
de larges gammes de produits. De plus, la normalisation permet à
l’utilisateur de limiter les risques d’incompatibilité entre les différents
produits ;
• Plusieurs avantages contribuent à l’adoption de cette solution
- le gain de place et de matériel,
- l’amélioration de la fiabilité, la détection possible sur certains
automates des coupures de circuit,
- la sécurité des personnes,
- la continuité de service par des systèmes secourus ou des filtres
antichute de tension,
- l’absence d’effet capacitif dans les câbles,
- la protection de l’environnement par la réduction de la consommation
dans l’équipement électrique.
33
2
2. Alimentation
électrique
2.5
L’alimentation du circuit de contrôle
• Cependant des contraintes existent
- la faible tension impose une limite dans les longueurs de câble,
- le nombre de contacts ou de capteurs en série est limité,
- les liaisons de masse doivent être soignées,
- en cas d’usage en ambiance sévère (poussières, agents chimiques,
etc.) la fiabilité des contacts peut être dégradée rapidement,
- il peut exister des problèmes de compatibilité entre les
caractéristiques des sorties d’automates, les capteurs et les bobines
de contacteurs. Il est donc conseillé d’utiliser des contacteurs à basse
consommation qui sont bien adaptés à cet usage.
b Les technologies des alimentations 24V à courant
continu
Dans ce domaine aussi, les technologies évoluent. Les alimentations
traditionnelles sont constituées à partir d’un transformateur à
enroulements séparés, assurant en plus de la conversion de tension,
l’isolement nécessaire entre la BT et la TBT. L’amélioration de la
technologie à découpage associée d’une baisse des coûts en font une
alternative intéressante par plusieurs points. Nous allons examiner ces
deux technologies.
v Les alimentations redressées
Elles sont constituées d’un transformateur BT/TBT suivi d’un pont
redresseur et d’un filtrage (C Fig.6).
A Fig. 6
Schéma de principe d’une alimentation 24 V
Le primaire du transformateur peut être alimenté en monophasé ou en
triphasé. Cette dernière solution (C Fig.7) permet de supprimer les
condensateurs de filtrage, si la fiabilité est améliorée la tenue aux
microcoupures est dégradée.
A Fig. 7
34
Redressement monophasé et triphasé
2. Alimentation
électrique
2.5
L’alimentation du circuit de contrôle
v Les alimentations à découpage (C Fig.8)
Le principe de fonctionnement consiste à découper en haute fréquence la
tension (de quelques dizaines à plusieurs centaines de kHz) issue d’une
source redressée. Il est alors possible d’alimenter un transformateur en
ferrite présentant une meilleure puissance massique que les
transformateurs traditionnels en 50hz. La sortie est alors redressée et filtrée.
A Fig. 8
Alimentation à découpe
Une boucle de régulation permet d’asservir le temps de cycle du
commutateur haute fréquence de manière à assurer la caractéristique de
régulation voulue (C Fig.9).
A Fig. 9
Principe de l’alimentation à découpage
v Conclusion
Le tableau de la figure 10 donne une rapide comparaison entre les deux
technologies. Le lecteur est invité ensuite à se reporter au chapitre
concernant la mise en œuvre des produits.
Alimentations redressées
filtrée
Comparatif pour une
source 10A /24V DC
Alimentations à
découpage régulée
Plage de tension
d'entrée
Large plages de 85 à 264V Différentes plages fixes de
110V à 230V
Encombrement
3 dm2
7 dm2
Poids
1.5 kg
6 kg
Rendement
Plus de 85%
Jusqu'à 75%
Réglage tension sortie
Oui
Non
Immunité microcoupures Bonne > 20ms
Faible <5ms
Régulation de la charge
1 à 3%
5%
Régulation ligne
<1%
Fonction du réseau 5 à
10%
Pollution CEM
Nécessite des précautions Naturellement faible
de réalisation
Pollution harmoniques
suivant EN61000-3-2 avec Conforme de base à la
filtre
normeEN61000-3-2
Fiabilité, durée de vie
Bon
A Fig. 10
Très bon
Comparaison des alimentations courant continu
35
2