Sectionneur de puissance électronique Manfred Schleicher Winfried Schneider Remarque : cette brochure a été écrite en notre âme et conscience. Nous n’assumons pas la responsabilité d’éventuelles erreurs. Dans tous les cas, les notices de mise en service des appareils concernés prévalent. Avant-propos Pour doser la puissance électrique, on dispose, pour les applications simples, de composants de réglage comme des contacteurs électromagnétiques et des relais statiques (solid state). Ces composants de réglage permettent de doser la puissance électrique dans un process en faisant varier les temps d’ouverture et de fermeture. Toutefois dans nombre de process, cette énergie apportée par à-coups provoque des variations sensibles de la grandeur de sortie. Ainsi il n’est pas possible de commander des installations d’éclairage avec ces composants de réglage à action discontinue. Ces composants ne sont pas utilisables non plus avec les régulations de température exigeantes puisque la fluctuation de la grandeur réglée est inacceptable. Dès les débuts de l’automatisme, on a utilisé des composants de réglage (comme des transformateurs réglables par exemple) qui permettent une variation continue de l’énergie électrique. Toutefois un transformateur réglable est sujet à l’usure, a besoin de temps de réglage longs et est très cher. Cette brochure exposera au lecteur le principe des sectionneurs de puissance électroniques qui ne s’usent pas et travaillent avec une vitesse de réglage très rapide. Les explications sur les sectionneurs de puissance sont générales mais elles se rapportent également en grande partie au sectionneur de puissance à thyristors et au sectionneur de puissance à IGBT de la maison JUMO. Fulda, septembre 2001 Manfred Schleicher JUMO Régulation SAS Actipôle Borny 7 rue des Drapiers B.P. 45200 57075 Metz - Cedex 3, France Tél. : +33 3 87 37 53 00 Fax : +33 3 87 37 89 00 E-Mail : [email protected] Internet : www.jumo.fr Winfried Schneider JUMO Mess- und Regeltechnik AG Laubisrütistrasse 70 8712 Stäfa, Suisse JUMO AUTOMATION S.P.R.L. / P.G.M.B.H. / B.V.B.A Industriestraße 18 4700 Eupen, Belgique Tél. : Fax : E-Mail : Internet : Tél. : Fax : E-Mail : Internet : +41 44 928 24 44 +41 44 928 24 48 [email protected] www.jumo.ch Reproduction autorisée avec mention de la source! Numéro d’article: 00413089 Numéro de livre: FAS620 Date d’impression: 09.01 +32 87 59 53 00 +32 87 74 02 03 [email protected] www.jumo.be Sommaire 1 Le sectionneur de puissance à thyristors ................................. 5 1.1 Le thyristor comme commutateur électronique ....................................... 5 1.1.1 Structure et fonctionnement .......................................................................... 5 1.1.2 Mesures de protection ................................................................................. 6 1.2 Le sectionneur de puissance à thyristors comme composant de réglage ................................................................... 6 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3 Modes de fonctionnement .......................................................................... 7 Commande par découpage de phase ........................................................... 8 Commande par train d’impulsions ............................................................... 10 Train d’impulsions avec démarrage du découpage de phase ..................... 12 2 Le sectionneur de puissance à IGBT ....................................... 13 2.1 L’ IGBT comme commutateur électronique ............................................. 13 2.2 Le sectionneur de puissance à IGBT comme composant de réglage .. 14 3 Boucle de régulation fermée et régulation intégrée .............. 19 3.1 Régulation U2 .............................................................................................. 21 3.2 Régulation I2 ............................................................................................... 23 3.3 Régulation P ............................................................................................... 25 4 Autres fonctions des sectionneurs de puissance .................. 27 4.1 Surveillance du circuit de charge ............................................................. 27 4.1.1 Défaut partiel de la charge ........................................................................... 27 4.1.2 Surveillance des surintensités de courant ................................................... 28 4.2 Commander des sectionneurs de puissance .......................................... 28 4.2.1 Prédéfinition d’une charge par défaut .......................................................... 28 4.2.2 Affaiblissement du signal d’entrée ............................................................... 29 4.3 Démarrage progressif ................................................................................ 29 4.4 Limitation du courant ................................................................................. 29 4.5 Entrée de blocage ...................................................................................... 29 4.6 Sortie de valeur réelle ................................................................................ 30 4.7 Commutation externe du mode de fonctionnement sur le sectionneur de puissance à thyristors ........................................... 30 Sectionneur de puissance électronique Sommaire 5 Sectionneurs et systèmes monophasé/triphasé .................... 31 5.1 Sectionneur de puissance à thyristors et systèmes monophasé/triphasé ............................................................ 32 5.1.1 Mode monophasé phase/neutre et phase/phase ........................................ 32 5.1.2 Le sectionneur de puissance dans un système triphasé ............................. 33 5.2 Sectionneur de puissance à IGBT et systèmes monophasé/triphasé ............................................................ 37 5.2.1 Mode monophasé phase/neutre et phase/phase ........................................ 37 5.2.2 Sectionneur de puissance à IGBT dans le système triphasé ....................... 38 6 Filtrage et antiparasitage .......................................................... 39 7 Notation utilisée ......................................................................... 40 Sectionneur de puissance électronique 1 Le sectionneur de puissance à thyristors Le sectionneur de puissance à thyristors 1.1 Le thyristor comme commutateur électronique 1.1.1 Structure et fonctionnement Le véritable composant de réglage du sectionneur à thyristors est le thyristor, un redresseur au silicium que l’on peut commander. Il est composé d’un empilement de quatre couches semiconductrices entre anode et cathode, dopées alternativement p et n. La borne de gâchette – appelée également gate – est montée sur la couche p de la cathode. a) c) b) Anode Bornes de la cathode p n Gâchette p n (borne Anode Borne de la gâchette UAK Gâchette de commande) Cathode n p n p Pastille thyristor Cathode Borne de l’anode Cahode Gâchette Anode Pastille thyristor Figure 1: a) Structure d’un thyristor (schéma), b) coupe d’un boîtier de thyristor, c) symbole du thyristor avec la tension UAK. Si la tension UAK est positive, le thyristor passe à l’état basse impédance lorsqu’on applique sur la gâchette (gate) une impulsion de commande positive par rapport à la cathode, d’amplitude et de durée suffisantes. On parle d’amorçage du thyristor. La gâchette ne permet pas de désamorcer le thyristor amorcé. C’est seulement lorsque le courant qui circule de l’anode vers la cathode repasse en-dessous d’une valeur minimale (courant de maintien) que le thyristor est à nouveau bloqué. Dans les circuits à courant alternatif, cela se passe lorsque le courant passe par zéro après chaque JUMO, FAS 620, édition 09.01 1 Le sectionneur de puissance à thyristors 5 1 Le sectionneur de puissance à thyristors alternance de la période du secteur. Si on commande une charge ohmique, la tension et le courant sont en phase. Si la charge est ohmique-inductive, le passage du courant par zéro (naturel) est déphasé par rapport à la tension. En raison des caractéristiques décrites à l’instant, il est possible d’utiliser un thyristor comme commutateur électronique, sans contact. À l’état passant (basse impédance), la tension entre l’anode et la cathode chute à une valeur comprise entre 1 V et 2 V (tension à l’état passant). Il en résulte une dissipation de puissance proportionnelle à l’intensité du courant, d’où un échauffement du thyristor. À l’état bloqué (haute impédance), le thyristor est toujours parcouru par un courant, c’est le courant à l’état bloqué. Ce courant a par exemple une intensité de 20 mA pour un thyristor avec un courant nominal de 100 A. du Une croissance rapide de la tension UAK ( ----- -valeur élevée) peut provoquer un amorçage du thyridt stor sans qu’une impulsion de commande soit appliquée sur la gâchette. Des courants capacitifs de déplacement, dans le cristal du thyristor, sont à l’origine de cet amorçage incontrôlé. di Après l’amorçage du thyristor, le gradient du courant de charge dans le temps ( ---- ) ne doit pas non dt plus dépasser une valeur critique, sinon une surchauffe locale dans le cristal peut détruire le thyristor. 1.1.2 Mesures de protection Pour garantir un fonctionnement sans parasites du thyristor, il faut prendre différentes mesures, décrites brièvement ci-dessous. La chaleur dissipée dans le cristal du thyristor, due aux pertes électriques, est évacuée par un radiateur de dimension suffisante. Pour cela, on peut calculer la puissance dissipée : produit de la tension à l’état passant par le courant de charge. Il est possible d’empêcher la croissance trop rapide de la tension avec un réseau RC et des varistances. Par varistance, on entend une résistance non linéaire. Des inductances en série avec le thyristor limitent la vitesse de croissance du courant de charge. Ce circuit de protection est important en particulier pour l’utilisation à fréquence élevée. Il faut prévoir un fusible à semi-conducteur ultra-rapide en cas de court-circuit dans le circuit de charge. Les thyristors ne seront protégés efficacement que si vous utilisez le type de fusible prescrit par le fabricant. 1.2 Le sectionneur de puissance à thyristors comme composant de réglage Un thyristor seul est amorcé par le courant qui circule de l’anode vers la cathode ; pour commuter des courants alternatifs, il faut donc monter en parallèle deux thyristors tête-bêche (montage antiparallèle). Ce type de module à thyristors permet de régler la valeur moyenne du courant de circuits électriques à courant alternatif ou triphasé. Pour cela, un circuit électronique de commande délivre les impulsions d’amorçage des thyristors. À l’aide du synoptique de la figure 2, nous allons vous expliquer les fonctions les plus importantes du sectionneur de puissance à thyristors : la phase (L1) de l’alimentation est amenée sur le module à thyristors (3) via des fusibles à semiconducteur ultra-rapides (2). Le module à thyristors est composé de deux thyristors parallèles têtebêche qui seront donc amorcés par les alternances positives et négatives de la tension d’alimentation. Le circuit de protection RC empêche une croissance trop rapide de la tension entre 6 1 Le sectionneur de puissance à thyristors JUMO, FAS 620, édition 09.01 1 Le sectionneur de puissance à thyristors l’anode et la cathode et donc des amorçages intempestifs des thyristors. Les fusibles à semiconducteur ultra-rapides (2) réagissent à l’intérieur d’une alternance de la tension du secteur, ainsi en cas de court-circuit dans le circuit de charge, les thyristors sont préservés de la destruction. La tension et le courant après les thyristors sont mesurés en (7) et (8), et amenés à la charge par le conducteur N. L’électronique de commande (9) pilote les thyristors (3) via un optocoupleur (6) et un étage de sortie (4). Le taux de modulation est appliqué de l’extérieur : signaux normalisés ou raccordement d’un potentiomètre (15). (10) (13) Secteur (5) (2) (1) (3) (11) (4) (6) (9) (14) (7) (12) (8) (15) (1) Charge (2) Fusible à semi-conducteur ultra-rapide (3) Module à thyristors avec circuit de protection RC (4) Étage de sortie pour le module à thyristors (5) Alimentation de l’électronique de commande (6) Opto-coupleur (7) Transformateur de tension (8) Transformateur de courant Figure 2: 1.3 (9) Électronique de commande (10) Potentiomètre ajustable - face avant (11) Sortie à relais de signalisation de défaut (relais ou opto-coupleur) (12) Interrupteur de configuration (13) LED de signalisation (14) Liaison maître-esclave (15) Taux de modulation, entrées de commande, sortie de valeur réelle Synoptique du sectionneur de puissance à thyristors TYA-110/3 de JUMO. Modes de fonctionnement Pour que la puissance délivrée à un récepteur à courant alternatif via deux thyristors parallèles tête-bêche soit continue, on a le choix entre deux principes de commande différents. La première solution est la commande par découpage de phase, usuelle en matière de convertisseurs de puissance. La deuxième est la commande à tension nulle, c’est-à-dire que le courant de charge est JUMO, FAS 620, édition 09.01 1 Le sectionneur de puissance à thyristors 7 1 Le sectionneur de puissance à thyristors débité/inhibé à un rythme déterminé, à chaque passage par zéro de la tension ; dans ce cas, on parle également de train d’impulsions. Dans le cas du train d’impulsions, les ondes pleines de la tension alternative sont toujours transmises. Si on applique un taux de modulation d’un pourcent au sectionneur, une onde pleine est transmise et pendant les 99 ondes pleines suivantes la charge est séparée de la tension d’alimentation. Toutefois nombre de process (comme par exemple une installation d’éclairage) ne peuvent pas lisser ce type d’énergie amenée par intermittence, cela provoque des oscillations de la grandeur réglée (comme par exemple l’intensité lumineuse). Dans le cas de la commande par découpage de phase, la tension d’alimentation est supprimée puis appliquée à l’intérieur d’une alternance, on peut s’attendre au moins à des oscillations notables de la grandeur réglée. Partout où un train d’impulsions ne dose pas assez finement l’énergie du système asservi, il faut utiliser la commande par découpage de phase. 1.3.1 Commande par découpage de phase Dans ce mode de commande, un courant traverse la charge commandée à chaque alternance de la tension d’alimentation. Le courant circule à partir de l’amorçage jusqu’à son passage par zéro naturel (Figure 3). U~ i Th1 wt a = 180° I charge i Th2 R U~ Ucharge Ucharge wt a = 45° appareil de commande i Th1 wt i Th2 a = 45° Figure 3: Commande d’une charge ohmique par découpage de phase : courbes de courant et de tension. 8 1 Le sectionneur de puissance à thyristors JUMO, FAS 620, édition 09.01 1 Le sectionneur de puissance à thyristors U~ = tension du secteur iTh2 = courant de la charge via le thyristor 2 Ucharge = tension de la charge = angle de phase Icharge = courant de la charge t = angle de phase en fonction du temps iTh1 = courant de la charge via le thyristor 1 L’angle entre le passage par zéro de la tension du secteur et l’amorçage des thyristors est appelé angle de phase ou angle de retard à la commande. La modification de l’angle de phase permet de faire varier de façon continue la valeur moyenne de la tension alternative appliquée à la résistance de charge ; la valeur est maximale pour = 0°, elle est nulle (0 V) pour = 180°. La figure 3 montre les courbes de tension et courant pour un angle de commande = 45°. Si = 0°, le régime est maximal, c’est-à-dire que la tension du secteur est appliquée sans discontinuité aux bornes du récepteur. Par contre si = 180°, le module à thyristors ne délivre pas de tension pendant la totalité d’une alternance (tension à l’état bloqué). Si = 45°, la partie de la courbe de tension en pointillés correspond à l’état haute impédance du thyristor. Ce mode de fonctionnement est adapté aux charges ohmiques, inductives et ohmiquesinductives. Dans le premier cas ( = 0°), le courant de charge et la tension de charge sont en phase ; dans les deux autres cas, le courant est en retard sur la tension. Pour utiliser des transformateurs ou des limiteurs de courant comme charges, JUMO a intégré à son sectionneur un démarrage dit « progressif » : aucun courant élevé indésirable ne circule à la toute première mise sous tension de la charge. Dans ce cas, l’angle de phase est d’abord égal à 180° puis atteint lentement la valeur qui correspond au signal du régulateur. Les avantages de la commande par découpage de phase sont le dosage fin de l’énergie et un temps de réaction court ; elle peut donc être utilisée dans des systèmes asservis extrêmement rapides. De plus elle permet de limiter le courant. Les harmoniques dues aux fronts raides des alternances découpées et les parasites HF qui en résultent sont les inconvénients de ce mode de commande. L’apparition d’une puissance réactive, même pour une charge ohmique, est un inconvénient supplémentaire. Avec les charges purement ohmiques, cette puissance est due au découpage de phase, c’est pourquoi elle est appelée puissance réactive de commande. La naissance de la puissance réactive de commande est compréhensible si on examine la transformée de Fourier d’une alternance du courant coupée. La transformée peut être représentée comme une superposition de sinusoïdes à différentes fréquences – une fondamentale et des harmoniques. Le déphasage de la fondamentale du courant par rapport à la tension de charge donne naissance à la puissance réactive mentionnée. JUMO, FAS 620, édition 09.01 1 Le sectionneur de puissance à thyristors 9 1 Le sectionneur de puissance à thyristors 1.3.2 Commande par train d’impulsions Dans ce mode de fonctionnement, des trains complets d’impulsions de la tension du secteur sont transmis ou bloqués. Le rapport cyclique permet de doser la puissance délivrée au récepteur ; le signal de sortie continu d’un appareil de commande (régulateur électronique par exemple) permet de régler le rapport cyclique. Le rapport cyclique est défini par (Figure 4) : durée état passant Te rapport cyclique = ---------------------------------------------------------période des impulsions T (1) T e Cette formule nous permet de déterminer la puissance délivrée à la charge : P = Pmax · ---- . T Ucharge wt Te T tension de charge Figure 4: secteur impulsion d’amorçage Commande par train d’impulsions. Les sectionneurs de puissance à thyristors de JUMO offrent la possibilité de choisir entre une période des impulsions fixe (de 500 ms) et une période des impulsions variable ; dans ce dernier cas, l’électronique des thyristors règle le plus rapidement possible la période nécessaire pour le taux de modulation exigé. Si le rapport cyclique est de 50%, cela signifie qu’un train de pauses est suivi d’un train d’impulsions. Si la fréquence du secteur est de 50 Hz, la fréquence de répétition des impulsions est donc de 25 Hz, ce qui correspond à une période de 40 ms. À cause des groupes d’impulsions courts, la commande avec une période variable est le mode de fonctionnement qui s’approche le plus de la commande par découpage de phase. Le choix d’une période variable permet au sectionneur de puissance de doser finement la puissance et de réagir vite. C’est pourquoi la période variable convient mieux aux systèmes asservis rapides que la période fixe. La période fixe est utilisée essentiellement pour les transformateurs et les circuits économiques maître-esclave (Section 5.1.2.3 „Les montages économiques“). 10 1 Le sectionneur de puissance à thyristors JUMO, FAS 620, édition 09.01 1 Le sectionneur de puissance à thyristors Si vous choisissez un sectionneur de puissance synchronisé par les passage par zéro de la tension, veillez à ce que les trains d’impulsions transmis soient toujours complets. Vous serez ainsi certains qu’il n’y a pas de composantes continues, elles pourraient surcharger fortement le réseau ou les transformateurs qui constituent la charge. Les avantages par rapport à la commande par découpage de phase sont les suivants : - Comme avec les charges purement ohmiques, les thyristors ne sont amorcés qu’au passage par zéro de la tension, l’émission de parasites est minimale. - Le courant de la charge est purement sinusoïdal, c’est pourquoi aucune harmonique n’est produite. - Le secteur n’est pas soumis à une charge inductive – comme c’est le cas pour la commande par découpage de phase, lorsque les récepteurs sont exclusivement ohmiques. Il ne circule aucun courant réactif en retard qui pourrait donner naissance à de la puissance réactive. Comme inconvénient, il y a les variations de tension sur la ligne du secteur, produites par le récepteur synchronisé ; elles peuvent apparaître si le réseau est sous-dimensionné. Cet effet, également appelé scintillement de la tension, provoque des variations d’intensité lumineuse gênantes dans les installations d’éclairage reliées au même réseau. Vous trouverez les valeurs limites dans la norme EN 61 000-3-3. Avec les transformateurs, l’effet dit de rush apparaît lors du passage par zéro. Avec cet effet, le fer du transformateur arrive à saturation magnétique et le courant du primaire n’est plus limité que par la composante ohmique de l’enroulement du primaire. Le courant de démarrage atteint des valeurs égales à environ cinquante fois le courant nominal. Pour utiliser les avantages de la commande par train d’impulsions (par exemple la faible puissance réactive) avec un transformateur comme charge, il faut choisir le mode de fonctionnement illustré par la Figure 5 : train d’impulsions avec coupure de la première alternance de la tension du secteur. L’angle de commande pour chaque première alternance d’un train d’impulsions (c’est pourquoi on l’appelle également start) est réglable entre 0° et 90° pour obtenir une adaptation optimale au transformateur utilisé. Ucharge wt a start Te T tension de charge Figure 5: secteur impulsion d’amorçage Train d’impulsions avec coupure de la première alternance de la tension du secteur. JUMO, FAS 620, édition 09.01 1 Le sectionneur de puissance à thyristors 11 1 Le sectionneur de puissance à thyristors 1.3.3 Train d’impulsions avec démarrage du découpage de phase Ce mode de fonctionnement commence avec le démarrage progressif pour la commande par découpage de phase. Lorsqu’une alternance du secteur a été transmise, on passe automatiquement à la commande par train d’impulsions. Si le sectionneur de puissance à thyristors est en plus équipé d’une limitation automatique du courant, il reste commandé par découpage de phase tant qu’il n’a pas atteint la valeur limite du courant réglée pour la commutation automatique en commande par train d’impulsions. Si la charge est un transformateur, il est toujours possible de régler pour la commande par train d’impulsions un angle de démarrage Start (entre 0° et 90°) pour couper chaque première alternance des trains d’impulsions. Ucharge wt tension de charge Figure 6: secteur impulsion d’amorçage Train d’impulsions avec démarrage du découpage de phase. En outre, dans le cas de la commande par train d’impulsions, la durée maximale des pauses est surveillée. Si une pause des impulsions est trop longue, le sectionneur de puissance à thyristors recommence, à la transmission suivante, le démarrage progressif du découpage de phase. Ce mode de fonctionnement est utilisé pour commander des transformateurs ou des récepteurs ohmiques dont la résistance varie fortement avec la température (par exemple Rfroid : Rchaud 1:16 avec des corps chauffants en Kanthal Super). 12 1 Le sectionneur de puissance à thyristors JUMO, FAS 620, édition 09.01 2 Le sectionneur de puissance à IGBT Le sectionneur de puissance à IGBT 2.1 L’ IGBT comme commutateur électronique collecteur gâchette Figure 7: émetteur Symbole d’un IGBT. L’IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) se comporte comme un transistor NPN avec une grille MOSFET comme zone de commande. Par conséquent la broche qui correspond au drain du MOSFET est appelée collecteur et la broche qui correspond à la source du MOSFET est appelée émetteur. Si l’IGBT est utilisé en sens passant, l’application d’une tension positive entre la grille et l’émetteur rend la jonction collecteur-émetteur conductrice. L’application d’une tension négative entre la grille et l’émetteur bloque la jonction, même lorsqu’un courant circule encore entre le collecteur et l’émetteur. L’IGBT n’est utilisé que comme commutateur. L’IGBT présente une tenue en tension très élevée et la tension de saturation (tension entre collecteur et émetteur à l’état conducteur) est relativement faible. Sa grille permet de le commander très facilement et ses pertes de commutation sont acceptables. JUMO, FAS 620, édition 09.01 2 Le sectionneur de puissance à IGBT 13 2 Le sectionneur de puissance à IGBT 2.2 Le sectionneur de puissance à IGBT comme composant de réglage a) interrupteur inductance I secteur I charge U U~ charge condensateur b) interrupteur I secteur inductance I charge U U~ charge condensateur Figure 8: Schéma de principe du sectionneur de puissance à IGBT. Il est possible de remplacer l’inverseur représenté sur la Figure 8 a) par un simple interrupteur si on ajoute une diode dans le circuit (voir la Figure 8 b)). Tant que l’interrupteur est fermé, le courant croît avec une pente limitée par l’inductance. Quand l’interrupteur est ouvert, le courant inductif conserve sa direction et circule ensuite à travers la diode de roue libre. Dans le même temps, le courant diminue jusqu’à ce que l’interrupteur soit à nouveau fermé. Le rapport de commutation (ouverture/fermeture) de l’interrupteur détermine la variation dans le temps du courant de la charge. Dans la pratique, l’interrupteur mécanique représenté en Figure 8 b) est remplacé par un IGBT, dit commutateur de puissance. 14 2 Le sectionneur de puissance à IGBT JUMO, FAS 620, édition 09.01 2 Le sectionneur de puissance à IGBT a) U~ U tension secteur wt b) I charge tension et courant de charge U/ I Ucharge wt c) I I secteur courant secteur wt ère 1 alternance Figure 9: e 2 alternance e 3 alternance Courant/tension du secteur et courant/tension de la charge avec un sectionneur de puissance à IGBT. La courbe représentée en Figure 9 b) (tension de la charge) est idéalisée. Dans la pratique, la courbe souhaitée pour la tension de charge s’inscrit dans une bande de tolérance et une modulation en largeur d’impulsions permet de maintenir la tension de charge réelle dans cette bande de tolérance. C’est pour cette raison que le signal de la tension de charge est bruité mais l’amplitude des harmoniques qui en résultent est relativement faible. Le sectionneur de puissance à IGBT n’a qu’un seul mode de fonctionnement, à savoir la régulation d’amplitude. De façon plus simple cela signifie que l’utilisateur fournit un signal de commande (0 à 20 mA par exemple) et que le sectionneur de puissance à IGBT délivre une tension continue JUMO, FAS 620, édition 09.01 2 Le sectionneur de puissance à IGBT 15 2 Le sectionneur de puissance à IGBT pulsée dont l’amplitude est proportionnelle à ce signal de commande. Une tension continue pulsée avec une valeur efficace de 230 V est indiquée de la façon suivante : 230 V DC . Remarque : à cause de la composante continue de la tension de sortie, il ne faut en aucun cas monter un transformateur comme charge. L’IPC de JUMO est un variateur de puissance pour commander des corps chauffants qui jusqu’à présent nécessitaient un transformateur (transformateur variable ou combinaison d’un sectionneur de puissance à thyristors et d’un transformateur). Du fait de son mode de fonctionnement, on parle de transformateur électronique avec tension continue pulsée en sortie. Il allie les avantages d’un transformateur variable (par exemple la régulation d’amplitude, la charge sinusoïdale sur le secteur) à ceux d’un variateur de puissance à thyristors (par exemple la limitation de courant, la surveillance de la charge, les régulations intégrées, etc.). Il n’y a pas de séparation galvanique entre la tension d’alimentation et la tension de la charge. L’IPC est utilisé partout où il est nécessaire de commuter de fortes charges ohmiques. Grâce à la régulation d’amplitude (consommation de courant secteur toujours sinusoïdale), les synchronisations (commande par train d’impulsions) ainsi que les systèmes de compensation de la puissance réactive (commande par découpage de phase) sont superflus. Réglages sur la face avant Sortie défaut de charge - avec relais - avec opto-coupleur Limitation du courant Commande à pleine charge (adaptation à la charge) Étalonnage sortie valeur réelle Prédéfinition charge par défaut Entrées Signal de commande Courant, tension ou potentiomètre Blocage impulsions amorçage bloc de puissance à IGBT Limite défaut de charge LED indicatrices pour : - température trop élevée - courant trop élevé - défaut de charge (partiel/total) - prêt à fonctionner Sortie de valeur réelle Tension de charge Alimentation partie commande Alimentation partie puissance Figure 10: Synoptique. 16 2 Le sectionneur de puissance à IGBT JUMO, FAS 620, édition 09.01 2 Le sectionneur de puissance à IGBT Particularités du sectionneur de puissance à IGBT : - Utilisation avec de fortes charges ohmiques sans risque pour le secteur (scintillement) - Raccordement direct de corps chauffants basse tension au secteur, sans transformateur d’adaptation - Harmoniques minimales dans le secteur de l’installation et faible poids (transformateur de puissance superflu) - Résistant aux courts-circuits au démarrage - Courant du secteur proportionnel à la puissance requise (régulation d’amplitude) - Excitation indépendante de la caractéristique de la résistance des corps chauffants - Compensation du processus de vieillissement des cartouches chauffantes SIC - Puissance de commande réactive minimale - Modèle compact - Libre choix de la régulation intégrée : U2, P, I2 JUMO, FAS 620, édition 09.01 2 Le sectionneur de puissance à IGBT 17 2 Le sectionneur de puissance à IGBT 18 2 Le sectionneur de puissance à IGBT JUMO, FAS 620, édition 09.01 3 Boucle de régulation fermée et régulation intégrée Boucle de régulation fermée et régulation intégrée alimentation w régulateur x Figure 11: yR sectionneur puiss. électrique y four capteur Boucle de régulation avec sectionneur de puissance électronique. Dans ce chapitre, nous nous intéresserons à un sectionneur de puissance électronique dans une boucle de régulation fermée ; nous prendrons comme exemple l’asservissement d’un four. La tension d’alimentation est appliquée au sectionneur de puissance. Le régulateur établit, à partir de la différence entre la consigne de température du four (w) et la valeur réelle (x, température mesurée par un capteur dans le four), le taux de modulation yR. Le taux de modulation du régulateur prend une valeur comprise entre 0 et 100%, il est délivré en sortie du régulateur sous forme d’un signal normalisé (0-10 V par exemple). Le taux de modulation du régulateur est introduit dans le sectionneur de puissance. Le sectionneur de puissance a alors la tâche d’apporter de l’énergie à la résistance chauffante qui se trouve dans le four ; la quantité d’énergie délivrée est proportionnelle au taux de modulation du régulateur : - Pour le sectionneur de puissance à thyristors avec la commande par découpage de phase cela signifie qu’il modifie son angle de commande entre 180° et 0° lorsque le taux de modulation varie de 0 à 100%. - Pour le sectionneur de puissance à thyristors avec la commande par trains d’impulsions cela signifie qu’il augmente son rapport cyclique de 0 à 100% lorsque le taux de modulation varie de 0 à 100%. - Un sectionneur de puissance à IGBT augmente l’amplitude de la tension de charge de 0 V à Ucharge max lorsque le taux de modulation varie de 0 à 100%. Examinons les réactions du sectionneur de puissance électronique représenté sur la figure 11 aux variations de tension du secteur. Nous supposons que le sectionneur de puissance à thyristors est commandé par des trains d’impulsions : le régulateur commande le sectionneur de puissance à thyristors avec un taux de modulation yR égal à 50% par exemple. Le rapport cyclique du sectionneur de puissance est donc de 50%, cela signifie qu’il transmet à la charge des ondes pleines pendant la moitié de la période des impulsions. La puissance fournie au four par le sectionneur de puissance (par exemple y = 5 kW) suffit précisément pour maintenir la température souhaitée (250 °C par exemple). Ensuite on abaisse la tension du secteur (230 V AC) de 10%, soit à 207 V AC. Le sectionneur de puissance à thyristors est toujours soumis à un taux de modulation de 50%, le rapport cyclique est toujours de 50%. Toutefois la tension du secteur appliquée à la charge est inférieure de 10%. Par conséquent la puissance dans le four a été réduite de 19% comme le montre la formule suivante: JUMO, FAS 620, édition 09.01 3 Boucle de régulation fermée et régulation intégrée 19 3 Boucle de régulation fermée et régulation intégrée 2 2 U~ – 0 1 U~ = -------------------------0 9 U~ - = 0,81 P P 230 V AC – P = -------------------------------------------230 V AC R R (2) P230V AC : puissance délivrée à la charge lorsque la tension du secteur est de 230 V AC P : diminution de puissance lorsque la tension du secteur est abaissée R: résistance ohmique de la charge Un apport d’énergie diminué de 19% provoque une baisse de la température du four. La quantité d’énergie nécessaire pour maintenir la température constante n’est plus proportionnelle au taux de modulation. Le régulateur détecte l’écart de réglage via la boucle de régulation de température relativement lente et augmente son taux de modulation (yR) jusqu’à ce que la température initiale du four (250 °C) soit à nouveau atteinte. Pour empêcher les variations de puissance lorsque la tension du secteur fluctue, une régulation intégrée est prévue dans les sectionneurs de puissance. Elle compense immédiatement les fluctuations de l’apport en énergie. Par conséquent le sectionneur délivre toujours sur sa sortie (y) une puissance proportionnelle au signal d’entrée (yR). Le principe de la régulation intégrée est représenté sur la Figure 12. alimentation w régulateur x yR Sectionneur puiss. électrique y système capteur régulation intégrée Figure 12: Principe de la régulation intégrée. Il faut choisir entre une régulation U2, I2 ou P. Dans la plupart des applications, la régulation utilisée est de type U2. Toutefois il est avantageux pour certaines applications d’utiliser la régulation de type I2 ou P. Ces trois types de régulation intégrée sont décrits dans les sections suivantes. 20 3 Boucle de régulation fermée et régulation intégrée JUMO, FAS 620, édition 09.01 3 Boucle de régulation fermée et régulation intégrée 3.1 Régulation U2 Examinons la puissance Pcharge d’une charge ohmique ; la formule suivante permet de la calculer à partir de la tension de charge Ucharge et de la résistance ohmique R : 2 P ch arg e U ch arg e = --------------------R (3) À partir de l’équation 3 il est évident que si la résistance de charge est constante alors la puissance est proportionnelle à Ucharge2. P ch arg e U ch arg e 2 (4) Un sectionneur de puissance avec une régulation de type U2 régule de telle sorte que le carré de la tension de charge soit proportionnel au signal d’entrée (par exemple 0-20 mA). 2 U ch arg e signal entrée du sectionneur de puissance (5) L’introduction de l’équation 5 dans l’équation 4 montre que la puissance aux bornes de la résistance est proportionnelle au signal d’entrée du sectionneur de puissance. P ch arg e signal entrée du sectionneur de puissance (0-20 mA) (6) On utilise la régulation de courant (régulation de type I2) plutôt avec des corps chauffants à coefficient de température positif, c’est-à-dire que la résistance électrique augmente lorsque la température croît (voir Figure 13). Les matériaux de ces résistances sont par exemple : - Kanthal Super - tungstène - molybdène - platine - radiateur à quartz Leur résistance à froid est considérablement plus faible que la résistance à chaud (facteur 6 à 16). Généralement ces corps chauffants sont utilisés à des températures supérieures à 1000 °C. JUMO, FAS 620, édition 09.01 3 Boucle de régulation fermée et régulation intégrée 21 3 Boucle de régulation fermée et régulation intégrée R P P= U2 R R R froid <1 R chaud P u Figure 13: Corps chauffant avec coefficient de température positif. Au démarrage, les sectionneurs de puissance ont besoin d’une limitation du courant. Au démarrage, comme le courant est constant et comme la résistance augmente, la puissance délivrée au corps chauffant est proportionnelle à R (P = I2 · R). Lorsque le courant est inférieur à la valeur limite réglée, la limitation automatique du courant cesse de fonctionner et le sectionneur travaille avec la régulation intégrée de type U2, c’est-à-dire qu’avec une résistance croissante et une tension constante, la puissance délivrée au corps chauffant 2 U ch arg e - diminue automatiquement. Pcharge = ---------------------- R Cet effet retentit en plus sur toute la boucle de régulation. Plus la température du four se rapproche de la consigne réglée, plus la puissance délivrée au four est faible (pour la même tension de charge). Le sectionneur permet donc de freiner l’approche de la consigne. Un dépassement éventuellement fort de la température est amorti. Les autres applications de la régulation de type U2 sont les installations d’éclairage : dans ce cas l’intensité lumineuse est proportionnelle à U2. Résistances avec un matériau de coefficient de température d’environ 1. Les corps chauffants en nickel/chrome, en constantan, etc. en font partie. Ces corps n’ont aucune exigence spéciale du côté du sectionneur à thyristors (limitation du courant par exemple). La Figure 14 montre la caractéristique d’un corps chauffant avec un coefficient de température de 1. 22 3 Boucle de régulation fermée et régulation intégrée JUMO, FAS 620, édition 09.01 3 Boucle de régulation fermée et régulation intégrée R P R P 2 P= U = I2 · R R R froid »1 R chaud u Figure 14: 3.2 Corps chauffant avec un coefficient de température 1. Régulation I2 Examinons la puissance Pcharge d’une charge ohmique ; la formule suivante permet de la calculer à partir du courant de charge Icharge et de la résistance ohmique R : P ch arg e = I 2 ch arg e R (7) À partir de l’équation 7 il est évident que si la résistance de charge est constante alors la puissance est proportionnelle à Icharge2. P ch arg e I 2 ch arg e (8) Un sectionneur de puissance avec une régulation de type I2 régule de telle sorte que le carré du courant de charge soit proportionnel au signal d’entrée. I 2 ch arg e signal entrée du sectionneur de puissance (9) L’introduction de l’équation 9 dans l’équation 8 montre que la puissance aux bornes de la résistance est proportionnelle au signal d’entrée du sectionneur de puissance. P ch arg e signal entrée du sectionneur de puissance (0-20 mA) (10) On utilise la régulation de courant (régulation de type I2) plutôt avec des corps chauffants à coefficient de température négatif, c’est-à-dire que la résistance électrique diminue lorsque la température croît (voir Figure 15). JUMO, FAS 620, édition 09.01 3 Boucle de régulation fermée et régulation intégrée 23 3 Boucle de régulation fermée et régulation intégrée Les métalloïdes par exemple (comme le graphite ou le verre fondu) présentent ce comportement. Généralement la fonte de verre n’est pas chauffée sur des corps chauffants ; on fait circuler un courant dans la matière à fondre, la conversion de l’énergie électrique en chaleur a lieu directement dans le matériau à fondre. Dans ce cas, le courant est amené via des électrodes. R P P R froid >1 R chaud P = I2 · R R u Figure 15: Corps chauffant avec un coefficient de température négatif. Il ressort de la formule de la puissance P = I2 · R qu’il est possible d’obtenir avec la régulation de type I2 le même effet " régulateur " qu’avec la régulation de type U2, c’est-à-dire qu’avec une température décroissante et un courant constant, la puissance délivrée au process diminue automatiquement. 24 3 Boucle de régulation fermée et régulation intégrée JUMO, FAS 620, édition 09.01 3 Boucle de régulation fermée et régulation intégrée 3.3 Régulation P Avec la régulation de puissance (régulation P), le produit U · I est toujours régulé. Dans ce cas la relation entre la puissance de sortie et le signal d’entrée (0-20 mA par exemple) du sectionneur de puissance à thyristors est parfaitement linéaire. Les corps chauffants avec vieillissement à long terme et avec dans le même temps variation de la résistance en fonction de la température (comme c’est le cas pour le carbure de silicium) sont des utilisations typiques de cette régulation intégrée (Figure 16). jusqu’à 4 RN R vieillissement 100 % 1050 °C Figure 16: u Variation de la résistance pour le carbure de silicium. Avec les corps chauffants au carbure de silicium, la résistance nominale augmente d’un facteur 4 à cause du vieillissement à long terme. Lors du dimensionnement, il faut choisir le sectionneur (sectionneur de puissance à thyristors ou sectionneur à IGBT) pour le double de la puissance des corps chauffants. Il faut veiller à ce que le sectionneur de puissance à thyristors supporte un courant nominal double (calculez-le à partir de la puissance du four). Nous le démontrons ci-dessous. Comme la puissance du corps chauffant doit rester constante tout au long du vieillissement, la formule suivante s’applique : (1) ancien = ancien état du corps chauffant nouveau = nouvel état du corps chauffant Pancien = Pnouveau = constante de plus : (2) U I ancien ancien Pancien = Uancien · Iancien, Rancien = ------------------- JUMO, FAS 620, édition 09.01 3 Boucle de régulation fermée et régulation intégrée 25 3 Boucle de régulation fermée et régulation intégrée (3) U I nouveau nouveau Pnouveau = Unouveau · Inouveau, Rnouveau = ----------------------- La relation entre la résistance de l’ancien état et celle du nouvel état est la suivante : (4) R ancien Rnouveau = ------------------- 4 Il résulte de (2) et (3) que : (5) U nouveau -----------------------I nouveau U 4I ancien ancien = -------------------- Pour que l’équation (1) soit satisfaite, il faut que U ancien U nouveau = ------------------- , 2 I nouveau = 2I ancien (11) c’est-à-dire U ancien P nouveau = U nouveau I nouveau = ------------------- 2I ancien = U ancien I ancien = P ancien (12) 2 Le courant de charge du sectionneur à IGBT correspond au courant consommé par le corps chauffant au carbure de silicium dans le nouvel état. Pour ce qui est de la tension de charge, il faut prendre en considération la " réserve " de tension pour compenser le vieillissement. Dans l’exemple décrit ci-dessus, ce sera un facteur 2. Dans le cas du sectionneur à IGBT, un courant sinusoïdal, en rapport avec la puissance réelle, circule toujours dans le secteur. Il est indépendant du vieillissement du corps chauffant au carbure de silicium. De plus, la régulation P est utilisée en triphasé avec le circuit économique en oscillation libre (voir la Section 5.1.2.3 „Les montages économiques“) ou lorsqu’il faut réguler les variations de la résistance de charge, à cause d’un défaut partiel de la charge. 26 3 Boucle de régulation fermée et régulation intégrée JUMO, FAS 620, édition 09.01 4 Autres fonctions des sectionneurs de puissance Autres fonctions des sectionneurs de puissance Dans les chapitres précédents, nous avons fait la connaissance du sectionneur de puissance à thyristors, du sectionneur de puissance à IGBT et de leurs fonctions de base. Toutefois les process industriels et les process de régulation complexes ont besoin d’autres fonctions pour garantir que le fonctionnement d’une installation est fiable. Dans ce chapitre, nous décrirons certaines de ces fonctions. Il s’agit de fonctions qui ont été réalisées pour le sectionneur de puissance à thyristors TYA-110 de JUMO et le sectionneur à IGBT IPC de JUMO ; elles s’appuient sur des années d’expérience dans le développement de sectionneurs de puissance et sur les informations envoyées par les clients. Certaines fonctions ne sont pas disponibles dans la version standard des appareils, elles sont en option. 4.1 Surveillance du circuit de charge 4.1.1 Défaut partiel de la charge La fonction de détection du défaut de charge partiel surveille le circuit de charge ; elle est utile lorsque plusieurs corps chauffants sont montés en parallèle par exemple (Figure 17). En cas de défaut d’un corps chauffant, la variation de résistance qui en résulte est détectée par une comparaison électronique entre tension et courant. En général, un potentiomètre ajustable permet de régler le point de commutation d’indication du défaut. indication par opto-coupleur indication par relais sectionneur de puissance L1 » résistances de charge en parallèle L 2 /neutre Figure 17: coupure Surveillance du défaut partiel de charge. JUMO, FAS 620, édition 09.01 4 Autres fonctions des sectionneurs de puissance 27 4 Autres fonctions des sectionneurs de puissance En cas de défaut, une LED (en général sur la face avant) est allumée. Une sortie d’indication de défaut est disponible, souvent un relais libre de potentiel ou un opto-coupleur. 4.1.2 Surveillance des surintensités de courant Au lieu de détecter une intensité de courant trop faible (surveillance du défaut de charge partiel), certains sectionneurs de puissance offrent la possibilité de surveiller les surintensités de courant ; il suffit pour cela de commuter un interrupteur interne. Ainsi il est possible de détecter dans un montage en série de plusieurs corps chauffants si l’un ou plusieurs sont en court-circuit. 4.2 Commander des sectionneurs de puissance Il est possible de commander les sectionneurs de puissance soit avec un signal de courant continu (par exemple 0-20 mA), soit avec un signal de tension continue (par exemple 0-10 V). Souvent on peut également raccorder un potentiomètre externe pour délivrer un taux de modulation. Généralement on utilise un régulateur avec une sortie continue (tension ou courant) pour commander un sectionneur de puissance. Les signaux normalisés sont par exemple 0 - 20 mA, 0 - 5 V, 0 10 V ou les signaux dits « Live Zero » 4 - 20 mA, 1 - 5 V, 2 - 10 V. 4.2.1 Prédéfinition d’une charge par défaut Avec certains process thermiques, il est interdit de refroidir jusqu’à la température ambiante, par conséquent il faut toujours apporter de l’énergie électrique à ces installations. À cet effet, on prédéfinit une charge par défaut. Dans ce cas, la charge par défaut (par exemple 33% de la puissance totale) est délivrée à l’installation lorsque le régulateur ne commande pas. Généralement, un potentiomètre interne ou un signal amené sur une entrée permet de dimensionner la charge par défaut. P 100 % 33 % char ge par déf aut t Figure 18: Représentation de la charge par défaut. Le potentiomètre permet de régler la charge par défaut et l’entrée continue permet de faire varier la charge par défaut jusqu’à un maximum sur la plage de réglage restante (Figure 18). 28 4 Autres fonctions des sectionneurs de puissance JUMO, FAS 620, édition 09.01 4 Autres fonctions des sectionneurs de puissance 4.2.2 Affaiblissement du signal d’entrée Cette fonction permet de réduire la puissance utile maximale du sectionneur, ainsi il est possible d’adapter la puissance utile du sectionneur au signal de sortie du régulateur en amont. Le réglage est effectué de la manière suivante : on applique 100% du taux de modulation du régulateur au sectionneur (par exemple 10 V ou 20 mA). Ensuite on réduit la puissance débitée par le sectionneur (généralement à l’aide d’un potentiomètre sur le sectionneur) jusqu’à ce que celui-ci délivre la puissance maximale souhaitée. 4.3 Démarrage progressif La fonction « démarrage progressif » garantit qu’à la première mise sous tension, la charge n’est pas tout à coup soumise à une puissance trop forte. La puissance délivrée à la charge augmente, de façon continue, de zéro jusqu’au taux de modulation à atteindre. Cette fonction offre une sécurité de fonctionnement supplémentaire pour les charges de type transformateur. Le transformateur est prémagnétisé et peut ensuite être attaqué à pleine puissance l’effet de rush est supprimé. Si le démarrage progressif est utilisé avec le sectionneur de puissance à thyristors commandé par découpage de phase, la charge est attaquée avec un angle de commande =180° qui diminue par la suite. Si le sectionneur de puissance à thyristors est commandé par des trains d’impulsions, il coupe les premières demi-ondes de chaque train de sinusoïdes jusqu’à ce que l’angle de commande de 0° soit atteint. Les trains de sinusoïdes suivants sont transmis en totalité (voir également la Kapitel 1.3.3 „Train d’impulsions avec démarrage du découpage de phase“). Comme chacun sait, le sectionneur à IGBT modifie son taux de modulation en faisant varier l’amplitude de la tension ou du courant. Le démarrage progressif est réalisé de telle sorte qu’en cas de variation soudaine du taux de modulation sur l’entrée du sectionneur, l’amplitude passe de zéro à la valeur qui correspond au taux de modulation. 4.4 Limitation du courant Pour les corps chauffants dont la résistance à chaud Rchaud est un multiple de la résistance à froid R R froid chaud 15 - ------ par exemple), la limitation du courant est Rfroid (comme les corps en Kanthal Super avec ----------------- 1 indispensable. Si on utilise la régulation U2 (logique pour ces corps) et un corps chauffant froid, le courant de charge prend une valeur élevée inadmissible (c’est également le cas avec la régulation P). Dans la pratique, un potentiomètre ajustable permet de régler le courant maximal admissible et une LED sur le sectionneur indique si la fonction de limitation du courant est active. Pour le sectionneur de puissance à thyristors, la limitation du courant existe uniquement avec la commande par découpage de phase : lorsque la fonction de limitation du courant du sectionneur est active, l’angle de commande ne diminue plus. Lorsque la fonction de limitation du courant est active, le sectionneur de puissance à IGBT cesse d’augmenter l’amplitude du courant de sortie. 4.5 Entrée de blocage Cette entrée logique permet d’inhiber la sortie du sectionneur. Dans le sectionneur de puissance à thyristors, les thyristors ne sont plus amorcés après l’alternance suivante. Le sectionneur de puissance à IGBT commande la gâchette de l’IGBT avec une tension négative. En pratique, celleJUMO, FAS 620, édition 09.01 4 Autres fonctions des sectionneurs de puissance 29 4 Autres fonctions des sectionneurs de puissance ci bloque immédiatement la jonction collecteur-émetteur. Après déblocage via un contact externe, la fonction de démarrage progressif est de nouveau en vigueur. Toutefois pour utiliser cette fonction de blocage de la sortie du sectionneur, il faut généralement monter un disjoncteur de protection ou un interrupteur principal en série avec le sectionneur de puissance électrique sinon un courant minimal circule dans les semi-conducteurs à l’état bloqué (thyristors ou IGBT). 4.6 Sortie de valeur réelle Souvent une sortie de valeur réelle est prévue sur les sectionneurs de puissance pour raccorder un instrument de mesure externe. Cette sortie permet de délivrer la grandeur de sortie du sectionneur (U2, I2 ou P) sous forme d’un signal normalisé. 4.7 Commutation externe du mode de fonctionnement sur le sectionneur de puissance à thyristors La commutation externe du mode de fonctionnement permet de passer de la commande par trains d’impulsions à la commande par découpage de phase ; il suffit de fermer un contact externe. Si l’appareil est réglé en conséquence, les fonctions « démarrage progressif » et « limitation du courant » entrent en vigueur automatiquement. Le sectionneur travaille avec la commande par découpage de phase tant que le contact externe reste fermé. À l’ouverture du contact, il repasse à la commande par trains d’impulsions, si la limitation de courant active ne l’en empêche pas. 30 4 Autres fonctions des sectionneurs de puissance JUMO, FAS 620, édition 09.01 5 Sectionneurs et systèmes monophasé/triphasé Sectionneurs et systèmes monophasé/triphasé Dans ce chapitre, nous étudierons l’utilisation des sectionneurs dans le réseau monophasé et le réseau triphasé. Nous vous aiderons à dimensionner les sectionneurs à partir des caractéristiques des corps chauffants, de la tension et de la puissance nominales. IL L1 UL L2 L3 UN N IS I charge Figure 19: Grandeurs caractéristiques du système triphasé. Pour commencer, nous vous présentons les notations et conventions utilisées ici pour les courants et les tensions du système triphasé (Figure 19) : UN : tension simple (tension entre phase et neutre) UL : tension composée (tension entre deux phases) IL : courant dans la phase IS : courant dans le sectionneur Icharge : courant de la charge Remarque : Sur le secteur triphasé 3~/N/400/230V, la tension composée est de 400 V et la tension simple de 230 V. Dans ce chapitre nous utiliserons également les notations suivantes : Pnominal/charge : puissance nominale de la ou des charges Unominal/charge : tension nominale de la ou des charges Inominal/charge : courant nominal de la ou des charges JUMO, FAS 620, édition 09.01 5 Sectionneurs et systèmes monophasé/triphasé 31 5 Sectionneurs et systèmes monophasé/triphasé 5.1 Sectionneur de puissance à thyristors et systèmes monophasé/triphasé Pour le sectionneur de puissance à thyristors, les grandeurs caractéristiques les plus importantes sont la tension nominale de la charge et courant de la charge. Pour nous rendre compte de l’importance de ces grandeurs, examinons le mode monophasé (Figure 20). 5.1.1 Mode monophasé phase/neutre et phase/phase L1 IL N/L2 IS U charge Figure 20: Mode monophasé (phase/neutre ou phase/phase). La figure 20 montre le fonctionnement d’un sectionneur de puissance à thyristors en mode monophasé. Si on monte le sectionneur entre la phase et le neutre, la tension aux bornes du sectionneur, donc de la charge, est la tension simple. Si monte le sectionneur entre deux phases, la charge est soumise à la tension composée. Il faut que la tension nominale de charge du sectionneur de puissance à thyristors corresponde à la tension simple ou à la tension composée du système. La Loi d’Ohm permet de calculer le courant de charge à partir de la tension nominale (Unominal/ charge) et de la puissance nominale (Pnominal/charge) des corps chauffants. Le courant de charge du sectionneur de puissance IS doit être au moins égal au courant nominal du corps chauffant. Charge entre deux phases (400 V) : P nominal/charge W I S = --------------------------------------------UL IL = IS (13) IL = IS (14) Charge entre phase et neutre (230 V) : P nominal/charge W I S = --------------------------------------------UN 32 5 Sectionneurs et systèmes monophasé/triphasé JUMO, FAS 620, édition 09.01 5 Sectionneurs et systèmes monophasé/triphasé 5.1.2 Le sectionneur de puissance dans un système triphasé Le système triphasé sert très souvent à alimenter trois appareils monophasés. Cette section décrit les différentes possibilités de montage. 5.1.2.1 Montage à quatre conducteurs (montage en étoile avec neutre sorti) L1 L2 L3 N IS Figure 21: Montage à quatre conducteurs. Chaque sectionneur de puissance à thyristors transmet la tension simple UN à la charge correspondante. C’est pour cette raison qu’il faut choisir des sectionneurs avec une tension de charge nominale égale à la tension simple. Le courant de charge nominal que chaque sectionneur doit débiter est calculé de la façon suivante : P nominal/charge W I S = --------------------------------------------3 UN US = UN (15) Remarque : comme nous l’avons déjà dit, pour Pnominal/charge il faut utiliser la somme des trois charges. Avec ce montage, il peut arriver si les conditions sont défavorables (défaut du fusible, corps chauffant défectueux, charges asymétriques ou commande par découpage de phase) qu’un courant circule dans le neutre (N). En particulier, si on utilise la commande par découpage de phase avec la limitation du courant et un angle de phase 60° (par ex. 90°), l’intensité du courant qui circule dans le neutre peut atteindre deux fois la valeur du courant de phase. JUMO, FAS 620, édition 09.01 5 Sectionneurs et systèmes monophasé/triphasé 33 5 Sectionneurs et systèmes monophasé/triphasé 5.1.2.2 Montage à six conducteurs (montage en triangle ouvert) L1 L2 L3 IS Figure 22: Montage à six conducteurs. Avec le montage à six conducteurs, les sectionneurs de puissance à thyristors avec leur charge sont montés en étoile. Avec cette variante également, les sectionneurs peuvent être utilisés avec la commande par découpage de phase ou la commande par trains d’impulsions. La tension composée UL est appliquée aux bornes de chaque sectionneur de puissance à thyristors en série avec la charge. C’est pour cette raison qu’il faut choisir des sectionneurs avec une tension de charge nominale égale à la tension composée. Le courant de charge nominal que chaque sectionneur doit débiter est calculé de la façon suivante : P nominal/charge W I S = --------------------------------------------3 UL V 34 5 Sectionneurs et systèmes monophasé/triphasé US = UL (16) JUMO, FAS 620, édition 09.01 5 Sectionneurs et systèmes monophasé/triphasé 5.1.2.3 Les montages économiques b) a) L1 Figure 23: L2 L3 L1 L2 L3 Montage économique pour charges en étoile a) et en triangle b). Dans un système triphasé sans neutre sorti, il est possible de câbler un montage dit économique avec deux sectionneurs de puissance à thyristors, on fait ainsi l’économie du troisième sectionneur de puissance à thyristors. La charge (étoile ou triangle) est relié à la phase 1 via un sectionneur de puissance à thyristors, idem pour la phase 3. La charge est reliée directement à la phase 2 (Figure 23). Indépendamment du fait que la charge soit montée en étoile ou en triangle, il faut toujours que le sectionneur à thyristors supporte la tension composée. Il faut utiliser les sectionneurs de puissance à thyristors avec la commande par trains d’impulsions. Il y a deux principes de fonctionnement du montage économique : Avec le montage économique maître-esclave, l’électronique de commande du sectionneur maître prend en charge la fonction de réglage proprement dite et synchronise le sectionneur esclave avec cette fonction. Grâce à la période fixe des impulsions, la régulation U2 et le montage en triangle de la charge, la tension aux bornes de chaque résistance de charge est bien constante, même en cas de défaut partiel de la charge. On peut citer comme exemple d’utilisation les machines automatiques de cuisson (pour pizzas, crêpes, etc.). La version maître-esclave permet de synchroniser des charges de type transformateur. Il est possible de régler sur le sectionneur maître le découpage de la première alternance du secteur (démarrage) entre 0° et 90°. De plus, pour les charges de type transformateur, il est recommandé d’activer la fonction démarrage progressif à chaque première mise sous tension. Comme régulation intégrée, il faut choisir la régulation U2. Bien que le montage économique pour le système triphasé ne comporte que deux sectionneurs à thyristors, il est possible de détecter, sans réserve, le défaut partiel de charge. Toutefois en général cette fonction est en option. JUMO, FAS 620, édition 09.01 5 Sectionneurs et systèmes monophasé/triphasé 35 5 Sectionneurs et systèmes monophasé/triphasé Par contre avec la version « en oscillation libre » du montage économique, il faut utiliser la régulation P. Les deux sectionneurs sont soumis au même signal du régulateur et débitent la puissance nécessaire. Ils amorcent leurs thyristors de façon indépendante, les amorçages ne sont donc pas forcément simultanés. C’est pour cette raison que la répartition de la puissance sur les trois résistances de charge n’est pas toujours uniforme (même si les trois résistances ohmiques sont égales). Le montage n’est utilisable que dans des applications où la répartition symétrique de la charge n’est pas nécessaire. Un éventuel défaut partiel de la charge n’a parfois aucun effet immédiat sur la constance de la température de la boucle de régulation. Il n’est pas possible d’utiliser cette variante avec une charge de type transformateur. Le courant nominal du sectionneur de puissance à thyristors doit être au moins égal à : en étoile : P total W I S = ------------------------3 UN V (17) P total W I S = ---------------------------3 UL V (18) ou en triangle : 5.1.2.4 Tableau de dimensionnement des sectionneurs de puissance à thyristors dans le système triphasé Le tableau ci-dessous vous aidera à déterminer les courants, tensions et puissances d’un sectionneur de puissance à thyristors dans un système triphasé. Les cases ombrées contiennent les formules pour le secteur triphasé 3~/N/400/230V. Nb. de sectionneurs Tension nominale de charge du sectionneur 3~/N/400/ 230V Formule du courant du sectionneur 3~/N/400/ 230V Montage 2 conducteurs L1/L2 2 conducteurs L1/N 4 conducteurs 6 conducteurs 1 1 3 3 3 conducteurs mont. économique étoile/triangle 2 UL UN UN UL UL 400 V 230 V 230 V 400 V 400 V P nominal/charge I S = ----------------------------------3 UL P nominal/charge I S = ----------------------------------3 UN P nominal/charge P nominal/charge P nominal/charge I S = ----------------------------------- I S = -------------------------------------I S = ----------------------------------UL 3 UN UN IS(A) = IS(A) = IS(A) = IS(A) = IS(A) = 2,5Pnom./charge(kW) 4,35Pnom./charge(kW) 1,45Pnom./charge(kW) 0,83Pnom./charge(kW) 1,45Pnom./charge(kW) Formule de la UL • IS puissance maximale Pmax à 3~/N/ 60 kW 400/230 V et IS = 150 A U N • IS 3 • UN • IS 3 • U L • IS 3 • UN • IS 34 kW 103 kW 180 kW 103 kW 36 5 Sectionneurs et systèmes monophasé/triphasé JUMO, FAS 620, édition 09.01 5 Sectionneurs et systèmes monophasé/triphasé 5.2 Sectionneur de puissance à IGBT et systèmes monophasé/triphasé Pour le sectionneur de puissance à IGBT, les grandeurs caractéristiques les plus importantes sont la tension d’alimentation de la partie commande, la tension d’alimentation de la partie puissance, la tension de la charge et le courant de la charge. Pour nous rendre compte de l’importance de ces grandeurs, examinons le mode monophasé (Figure 24). 5.2.1 Mode monophasé phase/neutre et phase/phase L1 L2 L3 N PE X 102 fusible partie puissance 10 9 8 7 filtre CEM 6 5 +10 V 4 régulateur 0 à 10 V 3 2 1 opto-coupleur en option relais S X 103 3 P fusible électronique de commande par ex. 2 A 3 Ö C 2 E 1 1 X 109 L1 N (L2) 1C 1D D U N(V) C PE charge self Figure 24: Mode monophasé (phase/neutre) avec l’IPC. La figure 24 montre le mode monophasé du sectionneur de puissance à IGBT, l’IPC. Avant de raccorder le sectionneur de puissance à IGBT, il faut vérifier sur l’appareil quelles tensions (alimentation de partie commande, alimentation de la partie puissance, tension de charge) et quel courant (courant de charge) il supporte. Sur la Figure 24, l’électronique de commande et le circuit de la charge sont soumis à la tension simple. L’IGBT est commandé de telle sorte que la tension aux JUMO, FAS 620, édition 09.01 5 Sectionneurs et systèmes monophasé/triphasé 37 5 Sectionneurs et systèmes monophasé/triphasé bornes de la charge soit la tension sinusoïdale redressée (bornes 1D et D) ; le signal appliqué entre les bornes 3 et 4 permet de faire varier l’amplitude de la sinusoïde redressée. Avec le sectionneur de puissance à IGBT, un autre courant que celui de la charge circule dans le secteur. La formule suivante permet de calculer l’intensité du courant maximal du secteur, en négligeant les pertes du sectionneur : P nominal/charge W I sec teur = ----------------------------------------------------------------------------------------------------tension alimentation partie puissance (19) La formule suivante donne le courant maximal de la charge : P nominal/charge W I ch arg e = ----------------------------------------------------tension de la charge (20) Exemple : un sectionneur de puissance à IGBT alimente une cartouche chauffante avec une puissance nominale de 5000 W et une tension nominale de 120 V AC ; la tension d’alimentation du circuit de la charge est de 230 V AC. L’intensité du courant qui circule dans la cartouche chauffante est égale à : W- = 41,7 A I ch arg e = 5000 ------------------120 V (21) Toutefois l’intensité du courant qui circule dans le secteur est égale à : 5000 W I sec teur ---------------------- = 21,74 A 230 V 5.2.2 (22) Sectionneur de puissance à IGBT dans le système triphasé Même les sectionneurs de puissance à IGBT peuvent être utilisés dans un système triphasé pour obtenir une répartition symétrique de la charge sur les trois phases. Dans ce cas, il s’agit juste de trois montages monophasés (phase/neutre ou phase/phase) dans un système triphasé. 38 5 Sectionneurs et systèmes monophasé/triphasé JUMO, FAS 620, édition 09.01 6 Filtrage et antiparasitage Filtrage et antiparasitage Pour éviter les parasites comme ceux créés par le sectionneur de puissance à thyristors avec la commande par découpage de phase par exemple, il faut déparasiter les matériels électriques et les installations. L’électronique de commande du sectionneur de puissance JUMO est conforme aux exigences CEM de la norme EN 61 326. Les modules comme le sectionneur de puissance à thyristors ou le sectionneur à IGBT seuls n’ont aucune utilité. Ils remplissent une fonction partielle d’une installation. C’est pour cette raison que le monteur de l’installation doit déparasiter le circuit de la charge du sectionneur avec des filtres adaptés. Dans ce domaine, des sociétés spécialisées proposent des gammes de filtres antiparasites. En règle générale, les filtres sont des modules prêts à monter. JUMO, FAS 620, édition 09.01 6 Filtrage et antiparasitage 39 7 Notation utilisée Notation utilisée iTh1 = courant dans le thyristor 1 iTh2 = courant dans le thyristor 2 Iancien = ancien courant dans le corps chauffant Inouveau = nouveau courant dans le corps chauffant IL = courant dans la phase Icharge = courant de la charge Isecteur = courant du secteur Icharge = amplitude du courant de la charge IS = courant dans le sectionneur Pancien = ancienne puissance du corps chauffant Pcharge = puissance de la charge Pnouveau = nouvelle puissance du corps chauffant Rfroid = résistance à froid d’un corps chauffant Rchaud = résistance à chaud d’un corps chauffant TK = coefficient de température du corps chauffant Uancien = ancienne tension aux bornes du corps chauffant UN = tension simple UL = tension composée Ucharge = tension de la charge Ucharge max = tension maximale de la charge US = tension de charge du sectionneur U~ Û~ W x y yR = = = = = = Start = angle de phase = angle de commande de la première alternance pour la commande par trains d’impulsions = angle de phase en fonction du temps t tension du secteur amplitude de la tension du secteur consigne valeur réelle taux de modulation taux de modulation du régulateur 40 7 Notation utilisée JUMO, FAS 620, édition 09.01