Appareillages basse tension Mise en situation : scierie industrielle

Lycée polyvalent
Louis COUFFIGNAL
11, route de la Fédération
67025 STRASBOURG
Appareillages basse tension
Avant-Projet
2005 -2006
L'étude porte sur la phase d'écorçage des troncs d'arbre avant la phase de sciage et de conditionnement du
bois.
Seul la distribution électrique alimentée par le transformateur T1 est partiellement étudiée. Ce transformateur
alimente trois armoires divisionnaires :
•
bâtiment administratif
•
écorçage
•
portique qui permet de déplacer les troncs et de charger l'écorceuse.
Le schéma unifilaire ci-joint donne la structure de cette installation électrique.
Représentation initiale
Mise en situation : scierie industrielle
Données
•
Puissance apparente S = 630 kVA
•
Tension primaire Up = 20 kV
•
Tension secondaire Us = 400 V
•
Le schéma de liaison à la terre est un régime TNC (neutre et PE confondu) qui passe au niveau des
armoires divisionnaires à un régime TNS (neutre et PE séparé).
•
Courant de court-circuit à la sortie du transformateur et sur le jeu de barre du TGBT Ik3 = 22 kA
Synthèse
Transformateur T1
•
Courant de court-circuit présumé Ik3 = 4 kA
•
Coefficient de simultanéité appliqué au tableau Ks = 1
•
Les charges sont réparties sur les 3 phases pour équilibrer en partie le tableau. Les phases sont
indiquées sur le schéma unifilaire.
•
Pour les prises de courant (PdC) 16 A – 230 V il est appliqué le coefficient de simultanéité Ks avec la
relation : Ks = 0,1 + 0,9/N avec N le nombre de prises de courant.
•
Chaque niveau du bâtiment est équipé de 40 prises monophasés qui doivent être protégées pour une
protection différentielle de 30 mA (cf. NF C 15 100).
Tableau divisionnaire partiel de l'écorçage
•
Courant de court-circuit présumé Ik3 = 10 kA
•
Le moteur MAS1 qui entraîne le tambour de l'écorceuse est un moteur asynchrone LS 250 M/4 avec les
caractéristiques :
Appropriation
Tableau divisionnaire bâtiment administratif
Puissance utile Pu = 55 kW
Courant nominal In = 106 A sous 400 V
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Avant-Projet
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L'inertie du tambour impose une durée de démarrage de l'ordre de 15 secondes.
•
La catégorie d'emploi est AC3 et la coordination exigée est de type 2.
Tableau divisionnaire partiel portique
•
Courant de court-circuit présumé Ik3 = 5 kA
Le moteur MAS2 qui entraîne le treuil de levage est un moteur asynchrone FLS 315 ST/4 avec les
caractéristiques :
Puissance utile Pu = 110 kW
Courant nominal In = 211 A sous 400 V
Vitesse nominale Nn = 1475 tr/min
L'utilisation en mode « à coup » ou « pianotage » impose une catégorie d'emploi AC4 et la
coordination exigée est de type 2.
Il est prévu 10 cycles de manoeuvres par heure en moyenne. Le portique est utilisé durant 8 heures
par jours et durant 300 jours par an. Le service maintenance prévoit une maintenance préventive sur
3 ans pour cette installation (remplacement systématique des contacteurs).
Le circuit commande du départ moteur MAS2 demande un contact O – F, à prévoir lors de l'achat de
l'appareillage (verrouillage électrique et auto-maintien)
Le verrouillage entre les contacteurs est à accrochage magnétique, complété d'une condamnation
mécanique.
Le moteur MAS3 qui entraîne le déplacement horizontal du portique est un moteur asynchrone LS
132 M/4 avec les caractéristiques :
Puissance utile Pu = 7,5 kW
Courant nominal In = 16 A sous 400 V
Vitesse nominale Nn = 1450 tr/min
La catégorie d'emploi est AC3 et la coordination exigée est de type 1.
•
Le verrouillage mécanique est à assurer.
•
Le circuit commande du départ moteur MAS3 demande un contact O – F, à prévoir lors de l'achat de
l'appareillage (verrouillage électrique et auto-maintien).
•
•
•
•
•
•
•
Synthèse
•
Représentation initiale
Vitesse nominale Nn = 1470 tr/min
Travail demandé : distribution tertiaire (1 heure)
1. Calculer les courants des départs du tableau divisionnaire du bâtiment administratif.
•
Détermination du courant pour les prises électriques du Rez-de-Chaussé. Nous avons 40 prises
monophasés de 16 A, soit un courant total de 640 A. Or toutes les prises ne sont pas utilisées au
même moment. Nous appliquons un coefficient de simultanéité selon la relation Ks = 0,1 + 0,9/N avec
N le nombre de prises de courant. Ks = 0,1 + 0,9/40 = 0,1225.
D'où le courant sur ce départ : IPdCRdC = Itotal x Ks = 640 x 0,1225 = 78,4 A
•
Le départ prises de courant pour le 1er étage est identique au Rez-de-Chaussé.
D'où le courant sur ce départ : IPdC1er = 78,4 A
•
Détermination du courant électrique pour le départ de l'éclairage. Il nous est donné la puissance et le
facteur de puissance. Ces données nous permettent de calculer l'intensité Iéclairage = P / V*cos(phi)
Iéclairage = 5 500 / 230*0,9 = 26,6 A
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Appropriation
Utilisation du catalogue professionnel : Distribution électrique de Schneider Electric
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Détermination du courant électrique pour le départ du chauffage. Il nous est donné la puissance et le
facteur de puissance. Ces données nous permettent de calculer l'intensité Ichauffage = P / V*cos(phi)
Ichauffage = 50 000 / 230*1 = 217,4 A
2 points
2. Choisir les disjoncteurs D21, D22, D23, D24 avec les déclencheurs associés et les réglages à
effectuer éventuellement. Indiquer la désignation du produit et la référence de commande.
•
Les 4 disjoncteurs doivent présenter un pouvoir de coupure > Ik3 = 4 kA
•
Il s'agit d'une distribution monophasée, les disjoncteurs seront donc bipolaires.
•
Les disjoncteurs D21 et D22 doivent être équipés avec un déclencheur différentiel d'une sensibilité de
30 mA, conformément à la norme NFC 15 100.
•
Les disjoncteurs seront choisis sur les critères : courant d'emploi, tension d'alimentation, pouvoir de
coupure, courbe de déclenchement. Le choix sera effectué dans le catalogue Merlin Gerin 20042005.
•
Pour les disjoncteurs D21 et D22, identiques, nous avons un courant d'emploi de 78,4 A sous une
tension de 230 V. Le courant de court-circuit présumé est de 4 kA. L'utilisation est de type
« général », d'où une courbe de déclenchement « C ». Nous pouvons à partir de ces informations
choisir un disjoncteur C120N bipolaire calibre 80 A, courbe C de référence : 18361 associé à un bloc
différentiel instantané type AC de sensibilité 30 mA de référence : 18538.(page A68 et A69)
•
Pour le disjoncteur D23, nous avons un courant d'emploi de 26,6 A sous une tension de 230 V. Le
courant de court-circuit présumé est de 4 kA. L'utilisation est de type « général », d'où une courbe de
déclenchement « C ». Nous pouvons à partir de ces informations choisir un disjoncteur C60N
bipolaire calibre 32 A, courbe C de référence : 24205 associé à un bloc différentiel instantané type AC
de sensibilité 30 mA, de calibre 40 A de référence : 26537.(page A60 et A61)
•
Pour le disjoncteur D24, nous avons un courant d'emploi de 217,4 A sous une tension de 230 V. Le
courant de court-circuit présumé est de 4 kA. Nous pouvons à partir de ces informations choisir un
disjoncteur NS250N 2P2d calibre 250 A de référence : 31620 associé à un déclencheur magnétothermique TM-D avec protection du neutre de calibre 250 A de référence : 31420.(page B36 et B37)
3 points
3. Choisir l'interrupteur sectionneur INT1. Indiquer la désignation du produit et la référence de
commande.
•
L'interrupteur-sectionneur en tête d'armoire électrique est tétrapolaire, puisque nous avons une
distribution monophasée derrière.
•
Le courant d'emploi sera celui du pôle le plus chargé, soit la phase 3, traversé par un courant de
217,4 A.
•
Sur la base de ces informations nous pouvons choisir un Interpact INS250 4P standard à poignée
noire de référence : 31107.(page B95)
1 point
4. Choisir le disjoncteur D1 avec le déclencheur associé et les réglages à effectuer. Indiquer la
désignation du produit et la référence de commande.
•
Pour le disjoncteur D1, nous avons un courant d'emploi de 217,4 A sous une tension de 400 V. Le
courant de court-circuit présumé est de 22 kA. Nous pouvons à partir de ces informations choisir un
disjoncteur NS250N 3P3d calibre 250 A de référence : 31630 associé à un déclencheur magnétothermique TM-D avec protection du neutre de calibre 250 A de référence : 31430.(page B36 et B37)
•
Le réglage du thermique s'effectuera au plus proche de 218 A.
•
Vérifions la longueur de câble protégée par ce déclencheur en schéma de liaison à la terre TN. Le
constructeur propose un tableau pour une tension limite Ul = 50 V. (page K245) Pour une section de
70 mm², nous lisons pour Im = 1250 A, soit 5 x In, une longueur maxi de 187 m. Or la canalisation a
une longueur de 200 m. La protection des personnes n'est donc pas assurée avec ce déclencheur.
Il faut donc choisir un autre déclencheur.
testappareillagesreponse.odt / 7 mars 2006 / Version 0
Appropriation
Synthèse
Représentation initiale
•
3/7
Le tableau des longueurs maximales (page K246) nous indique pour un déclencheur électronique
STR22SE 250 A, une longueur de 243 m pour un réglage de Im à 1000 A. La protection des
personnes est assurée dans cette configuration.
La référence du déclencheur électronique STR22SE 250 A 3P 3d est « 31470 ».(page B37)
1 point
5. Choisir le disjoncteur D0 avec le déclencheur associé et les réglages à effectuer. Indiquer la
désignation du produit et la référence de commande.
•
Pour le disjoncteur D0, nous avons un courant d'emploi de 866 A sous une tension de 400 V. Le
courant de court-circuit présumé est de 22 kA. Nous pouvons à partir de ces informations choisir un
disjoncteur NS1000N 3P équipé d'une unité de contrôle Micrologic 2.0 de référence : 33472.(page
B52)
•
Le réglage du long retard Ir (page K334) est variable de 0,4 à 1 x In. Le réglage pour un courant
d'emploi de 866 A serait de 0,87.
•
Le réglage du court retard Isd est variable de 1,5 à 10 x Ir. N'ayant pas d'indication nous pouvons le
régler au maximum, pour assurer un maximum de sélectivité ampèremétrique.
1 point
6. Il est demandé une sélectivité totale sur cette partie de l'installation. Vérifier si elle est respectée.
•
Le constructeur propose des tableaux pour répondre à la présente question.
•
Sélectivité entre le disjoncteur NS1000N (D0) et le disjoncteur NS250N (D1), le tableau page K168
indique une sélectivité totale.
•
Sélectivité entre le disjoncteur NS250N STR22SE (D1) et le disjoncteur C120N 80 A courbe C (D21 et
D22), le tableau page K165 indique une sélectivité totale.
•
Sélectivité entre le disjoncteur NS250N STR22SE (D1) et le disjoncteur C60N 32 A courbe C (D23), le
tableau page K165 indique une sélectivité totale.
•
Par contre, il n'y a aucune sélectivité entre le disjoncteur D1 et le disjoncteur D24 tous les deux d'un
calibre de 250 A.
1 point
7. Vérifier la protection des personnes pour ce schéma de liaison à la terre.
•
La protection a déjà été vérifiée pour le disjoncteur D1 (voir question 4)
•
Pour les départs D21 à D24 nous n'avons pas suffisamment d'information dans le sujet. Il manque
notamment les sections et les longueurs des départs jusqu'aux récepteurs.
1 point
Nota important :
Les relations et les calculs doivent être explicitées et les choix justifiés avec l'indication de la
page du catalogue et son année de parution. La réponse n'est pas validée si la rédaction n'est
pas présente.
Travail demandé : distribution industrielle (1 heure)
Utilisation du catalogue professionnel : Automatismes industriels Télémécanique
de Schneider Electric
•
Les références des produits seront issues du catalogue 2001/2002 Automatismes industriels
Télémécanique.
1. Choisir les appareillages du départ moteur du moteur MAS1 : disjoncteur, contacteur, relais
thermique. Rédiger explicitement toute la démarche de choix et les justifications. Indiquer la
désignation des produits et la référence de commande.
•
Nous avons une coordination de type 2 imposée par le cahier des charges et le schéma unifilaire
indique une solution « 3 produits » avec un disjoncteur.
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Synthèse
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Page A43, le constructeur propose une association pour un moteur d'une puissance de 55 kW :
1 disjoncteur NS160.MA de calibre 150 A et un réglage du déclencheur magnétique Irm à 1500 A.
1 contacteur LC1 D115
1 relais de protection thermique LR9 D5369
Reprenons ces différents éléments pour vérifier la conformité au cahier des charges.
•
Le pouvoir de coupure du NS160 doit être supérieur Ik3 = 10 kA, ce qui est respecté avec un NS160N
de Icu = 36 kA.
•
Le contacteur LC1 D115 possède un courant assigné d'emploi en AC3 de 115 A (page A233) ce qui
est conforme au cahier des charges.
Le schéma unifilaire indique une tension de commande de 24 VAC. Cette information permet de définir
la référence complète du contacteur soit : LC1 D115 B7.(page A214)
•
L'inertie du tambour impose un démarrage du moteur d'une durée de 15 secondes ce qui conduit à
choisir un relais thermique de classe 20. La référence de commande devient donc LR9 D5569 avec
une plage de réglage entre 90 et 150 A.(page A390)
3 points
2. Choisir le fusible F11 et son support, au primaire du transformateur de commande dans l'armoire
divisionnaire de l'écorceuse.
•
Pour choisir le fusible de protection du primaire du transformateur de commande nous devons
calculer le courant d'emploi.
Nous avons une puissance apparente S = U x I d'où Ip = S / Up = 160 / 400 = 0,4 A.
Nous sommes au primaire du transformateur, ce sera donc un type aM.
•
Page A375, le constructeur propose des fusibles aM cylindriques 10 x 38 sous 500 V avec un calibre
de 0,5 A de référence : DF2 CA005.
•
Il faut encore compléter la commande avec un porte fusible double, pour fusible cylindrique de
dimension 10 x 38. Nous trouvons la référence page G39 soit : porte fusible 32 A 2P – GK1 DD.
1 point
3. Choisir les appareillages du départ moteur du moteur MAS2 : disjoncteur, contacteur, accessoires
éventuels. Rédiger explicitement toute la démarche de choix et les justifications. Indiquer la
désignation des produits et la référence de commande.
•
Rappelons les exigences du cahier des charges. L'utilisation en mode « à coup » ou « pianotage »
impose une catégorie d'emploi AC4 et la coordination exigée est de type 2.
Le schéma unifilaire indique une solution « 2 produits ».
Page A39, le constructeur propose une association pour un moteur d'une puissance de 110 kW sous
400 V :
1 disjoncteur moteur GV7 RS220 avec le réglage du thermique entre 132 et 220 A.
1 contacteur LC1 F225
Reprenons ces différents éléments pour vérifier la conformité au cahier des charges.
•
Le déclencheur thermique du disjoncteur-moteur sera réglé au plus proche de 211 A, le courant
nominal du moteur. La référence de commande est GV7 RS220.(page A328)
•
Pour le contacteur LC1 F225 , il faut vérifier son fonctionnement en catégorie AC4.
Le cahier des charges nous donne : « Il est prévu 10 cycles de manoeuvres par heure en moyenne.
Le portique est utilisé durant 8 heures par jours et durant 300 jours par an. Le service maintenance
prévoit une maintenance préventive sur 3 ans pour cette installation (remplacement systématique des
contacteurs). »
Effectuons le calcul du nombre total de cycles de manoeuvres :
Nb cycles/heures x Nb heures/jours x Nb jours/an x Nb an = 10 x 8 x 300 x 3 = 72 000 cycles de
manoeuvres.
•
Page A23, le constructeur propose les courbes de choix selon la durabilité électrique en catégorie
AC4.
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Le courant d'emploi Ie = 211 A ce qui nous donne un courant coupé Ic = 6 x Ie = 6 x 211 = 1266 A
Nous constatons que le contacteur LC1 F225 ne va que jusqu'à 800 A. Il ne répond donc pas au
cahier des charges pour ce critère.
Ajoutons le critère Nb de cycles de manoeuvres. Nous prendrons 0,08 millions de manoeuvres sur
l'abaque et pour une intensité proche de 1266 A nous en déduisons, par lecture de la courbe la plus
proche, un contacteur LC1 F500.
•
Le cahier des charges précise que le schéma de commande nécessite un contact auxiliaire O-F
(verrouillage électrique et auto-maintien). Nous trouvons ces additifs à la page A269 de référence :
LA1 DN11.
•
Il manque encore les éléments permettant le verrouillage mécanique et l'accrochage magnétique.
Nous trouvons ces éléments à la page A274. Les références sont CR1 F500 pour l'accrochage
magnétique et LA9 FJ970 (page A276) pour la condamnation mécanique. Nous pouvons encore
ajouter le jeu de connexions de puissance de référence LA9 FK976 (page A276).
Résumons les différentes références à commander pour la partie contacteur-inverseur en montage
côte à côte :
2 contacteurs LC1 F500
2 blocs auxiliaires LA1 DN11
1 accrochage magnétique CR1 F500
1 condamnation mécanique LA9 FJ970
1 jeu de connexions de puissance LA9 FK976
3 points
4. Choisir les appareillages du départ moteur du moteur MAS3 : disjoncteur, contacteur, accessoires
éventuels. Rédiger explicitement toute la démarche de choix et les justifications. Indiquer la
désignation des produits et la référence de commande.
•
Rappelons les exigences du cahier des charges. La catégorie d'emploi est AC3 et la coordination
exigée est de type 1.
Le schéma unifilaire indique une solution « 2 produits ».
Page A38, le constructeur propose une association pour un moteur d'une puissance de 7,5 kW sous
400 V :
1 disjoncteur moteur GV2 ME20 avec le réglage du thermique entre 13 et 18 A.
1 contacteur LC1 D18
Reprenons ces différents éléments pour vérifier la conformité au cahier des charges.
•
Le déclencheur thermique du disjoncteur-moteur sera réglé au plus proche de 16 A, le courant
nominal du moteur. La référence de commande est GV2 ME20 pour des bornes à vis.(page A321)
•
Le cahier des charges précise que le schéma de commande nécessite un contact auxiliaire O-F
(verrouillage électrique et auto-maintien). Nous trouvons ces additifs à la page A223 de référence :
LAD N11.
•
Le constructeur propose pour les contacteurs LC1 D09 ... D38 un ensemble comprenant une
condamnation mécanique et un kit de verrouillage électrique de référence : LAD 9R1V (page A220)
Résumons les différentes références à commander pour la partie contacteur-inverseur en montage
côte à côte :
2 contacteurs LC1 D18
2 blocs auxiliaires LAD N11
1 ensemble condamnation mécanique et kit de connexions de puissance LAD 9R1V
3 points
Nota important :
Les éléments de solution développés ci-dessus sont une réponse possible au cahier des charges proposé.
Nous avons autant que possible tenu compte des recommandations du constructeur, expert dans son
domaine.
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Appropriation
Bilan après passation du contrôle :
✔
Le travail direct avec le catalogue constructeur complet met les étudiants dans une situation
professionnelle réelle, mais la correction devient plus délicate. Il apparaît tout naturellement
plusieurs réponses à la situation proposée. Dans le cadre d'un test aussi court, il n'est pas possible
d'entrer dans l'analyse critique des réponses.
✔
Cette approche très ouverte du questionnement (ensemble du catalogue) permet d'approcher les
connaissances et savoir-faire dans le domaine, réellement assimilés. A ce titre les étudiants n'ont
pas vu les éléments qui demandaient un minimum de réflexion et qui testaient une compréhension
plus approfondie.
Les réponses restent globalement stéréotypées, basées sur les souvenirs, au lieu d'être le fruit
d'une analyse et d'une compréhension de la question.
✔
Il apparaît aussi des lacunes conséquentes concernant les relations de puissance en monophasé.
Quelques erreurs de raisonnement technologique, notamment l'équilibrage des phases dans une
distribution monophasée, au niveau de l'armoire électrique.
✔
Le contrôle était trop long par rapport aux capacités de travail des étudiants. Seul quelques uns ont
touché à toutes les questions, sans pouvoir traiter les dernières en profondeur.
✔
Dans la réalité et dans ce type de contrôle il semblerait que ce soit le nombre important
d'informations à intégrer et à traiter qui reste la difficulté majeure. En effet, lorsque l'information n'est
pas reconnue, elle est tout simplement occultée. Ce mécanisme conduit immanquablement à une
réponse tronquée, donc erronée par rapport au cahier des charges.
Ce constat nous incite à maintenir un travail de base de décodage de documentation constructeur,
afin d'identifier et de comprendre toutes les informations fournies. Il s'agit en fait d'un réel travail de
synthèse qui mobilise toutes les connaissances en vue de construire une représentation mentale
cohérente, tout en restant évolutive.
✔
Les notes vont de 3/20 à 12/20 avec une moyenne de 8,25/20. La notation a été menée sans trop
d'exigence. Les points ont été accordés lorsque l'orientation de la réponse juste était pressentie.
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