U Nouveau contacteur électromagnétique à large plage de tension

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E
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R
S
Nouveau contacteur
électromagnétique à
large plage de tension
de commande
Limite des contacteurs
conventionnels
Plage de tension de contrôle
limitée
Les contacteurs conventionnels ont l’inconvénient d’avoir une plage de tension
de contrôle limitée, et ce afin d’assurer
une opération fiable. D’une part, la tension
de contrôle doit être suffisamment élevée
pour assurer proprement la fermeture des
contacts. D’autre part, une tension trop
élevée provoque des rebonds à la fermeture des contacts et génère un échauffe-
Le contacteur électromagnétique est un appareil de commutation simple des-
ment
tiné à des applications basse et moyenne tensions, en particulier au contrôle
conduisant à l’endommagement de l’isola-
supplémentaire
de
la
bobine,
des machines électriques. Malgré sa simplicité, son utilisation reste condi-
tion de son bobinage. Dans les deux cas,
tionnée par des plages limitées de tensions de commande et de températures
la durée de vie du contacteur se trouve ré-
de service. Afin d’étendre ses possibilités d’application, ABB Control a déve-
duite.
loppé une nouvelle génération de contacteurs électromagnétiques utilisant
Les normes internationales en vigueur
un circuit intégré à applications spécifiques (ASIC). Ce nouveau contacteur
stipulent que le contacteur doit fermer
couvre de larges plages de tensions de commande et opère indifféremment
dans une plage de tension comprise entre
en alternatif et en continu. Sa faible consommation d’énergie permet, en
85 et 110% de la tension nominale. Toute-
outre, de diminuer les frais qui en résultent. En complément, il intègre la po-
fois, des problèmes peuvent se poser, par
tentialité d’une connexion à un bus de terrain et tient donc compte de l’évolu-
exemple lorsqu’une installation utilise un
tion actuelle du marché vers des installations automatisées orientées intelli-
réseau d’alimentation commun aux circuits
gence décentralisée et interopérabilité.
de contrôle et aux moteurs. Lors de l’excitation de la bobine et de la fermeture des
U
contacts, l’enclenchement du moteur peut
2 montre les principaux composants
provoquer une chute de tension sur le ré-
commutation et de contrôle simple, ro-
d’un contacteur électromagnétique. Si une
seau d’alimentation, si les câbles ou si le
buste et très polyvalent dans les systèmes
tension est appliquée aux bornes de la bo-
transformateur de puissance ont été sous-
de distribution d’énergie et dans les ins-
bine, un courant circule à travers celle-ci.
dimensionnés. Dans ce cas, une chute de
tension peut se produire sur un contacteur
n contacteur est un appareil de
tallations automatisées. ABB Control fa-
Ce dernier génère un champ magnétique
brique des contacteurs à trois et à quatre
exerkant une force sur le circuit magnéti-
alimenté par le même réseau, ce qui peut
pôles couvrant une plage de courant no-
que mobile. Si le courant atteint une valeur
suffire à ouvrir de nouveau momentané-
minal de quelques ampères jusqu’à 750
suffisante, la force comprime le ressort et
ment les contacts.
A. Une application utilisant de tels contac-
ferme ainsi les contacts.
Une telle situation est hasardeuse et
teurs est présentée en 1 . Ce circuit est
pourrait provoquer un comportement im-
un système d’entraînement simple à en-
prévisible, ou même endommager les
clenchement direct et est constitué d’un
équipements. Elle peut aussi se manifester
réseau basse tension (< 1 kV), d’un inter-
par un soudage des contacts du contac-
rupteur-fusibles, d’un contacteur, d’un re-
teur. Cela peut se produire quand les
lais thermique et d’un moteur. Outre son
contacts se referment avant que le pro-
rôle
l’interrupteur-fusibles
cessus de déclenchement ne soit achevé
fournit une visualisation de l’ouverture du
et que l’arc ait toujours suffisamment
sécuritaire,
circuit. Il assure, de plus, une fonction de
protection contre les surcharges et les
courts-circuits, lorsque le courant dépasse une certaine valeur pendant une
durée donnée. Le contacteur enclenche
Paul Stephansson
Harald Vefling
Centre de recherche ABB
d’énergie pour souder les contacts.Dans
un tel cas, les contacts restent fermés et
ne peuvent plus être actionnés.
Billingstad/Norvège
Plage de température limitée
et déclenche le moteur à partir d’un
contrôle distant. Le relais thermique sur-
Gunnar Johansson
Un autre problème usuel des contacteurs
veille le courant moteur et désactive le
Claude Henrion
conventionnels réside dans leur plage de
contacteur s’il y a un risque de surchauffe
ABB Control AB
du moteur.
température limitée. La résistance du cuivre utilisé pour la bobine augmente avec la
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C
température. Quand celle-ci croît, le courant de la bobine diminue et avec lui la
O
N
En
cas
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C
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d’alimentation
E
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en
R
S
courant
continu, le courant n’est déterminé que
force magnétique assurant la fermeture
par la résistance. L’inductance de la bo-
des contacts.
bine ne joue aucun rôle. Pour les petits
2
1
3
contacteurs, on utilise des circuits magnétiques spéciaux. Pour les contacteurs de
Alimentation en courant alternatif
ou continu de la bobine
résistance en série ou la commutation sur
Une bobine alimentée en courant alternatif
un autre enroulement permet de réduire le
tend à faire perdre la force magnétique de
courant une fois le contacteur fermé.
maintien à chaque passage à zéro du cou-
L’alimentation en courant alternatif offre
rant. Ce problème a été résolu en ajoutant
l’avantage d’une diminution automatique
un enroulement fixe dans le circuit magné-
de la puissance dissipée lors du passage
tique. Celui-ci assure la constance du
en mode maintien des contacts. L’avan-
champ magnétique même lorsque le cou-
tage de l’alimentation en courant continu
rant passe temporairement à zéro. Néan-
réside
moins, l’alimentation en courant alternatif
constante et dans un fonctionnement si-
dans
une
force
présente un avantage considérable: quand
lencieux. Les deux modes d’alimentation
imposent des circuits magnétiques diffé-
de façon significative, ce qui diminue auto-
rents qui ne sont pas interchangeables.
matiquement la consommation de courant
et la puissance dissipée.
Solutions pour surmonter
les limites des contacteurs
conventionnels
1
F
i
Interface contrôlant le courant
de la bobine
7
Principaux composants d’un
contacteur électromagnétique
Réseau basse tension
Interrupteur-fusibles
Contacteur
Relais thermique
Moteur
et de température limitées peuvent être ré-
2
1
2
3
4
5
6
7
Contacts
Ressort
Bornes de raccordement
Partie mobile du circuit magnétique
Partie fixe du circuit magnétique
Bobine
Tension de commande
F
Force agissant sur la partie mobile du
circuit magnétique
Courant de la bobine
Les problèmes liés aux plages de tension
1
2
3
4
5
6
5
magnétique
l’entrefer décroît, l’inductance augmente
Schéma d’un système
d’entraînement simple
4
tailles plus importantes, l’adjonction d’une
i
solus en alimentant la bobine avec un courant continu régulé. ABB Control a développé une interface bobine sous forme
d’un bloc électronique alimentant la bo-
Interface pour l’alimentation en
courant continu régulé de la bobine
du contacteur
bine avec un courant optimal, aussi long1
temps qu’une puissance suffisante est disponible 3 . Un circuit de régulation à mo2
dulation de largeur d’impulsions (M.L.I.)
contrôle un transistor FET (transistor à
effet de champ) qui alimente la bobine à
partir d’un pont redresseur. Un avantage
1
2
3
4
5
6
Redresseur
ASIC
Diode de roue libre
Bobine
FET (transistor à effet de champ)
Résistance de mesure du courant
de la bobine
du redressement est que le contacteur
peut être activé à la fois en alternatif et en
continu.
3
1
~
=
4
3
Fermeture contrôlée
Pour contrôler le mouvement du circuit
4
magnétique à la fermeture et minimiser en
même temps la consommation, le contac-
2
5
teur opère en deux phases : fermeture et
maintien. Lorsqu’une alimentation en alternatif est utilisée, la fermeture est retardée
5
M
jusqu’à ce que la tension d’alimentation ait
atteint un niveau suffisant. Durant la fermeture, le courant bobine est régulé pour as-
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1
i
2
4
ms
t
Caractéristique du courant à la
fermeture du nouveau contacteur
i Courant
t Temps
4
1 Courant de fermeture
2 Courant de maintien
3
2
Nouveau contacteur –
à droite sans sa partie supérieure
1 Boîtier
2 Circuit magnétique
1
5
3 Bobine
4 Circuit imprimé
surer que sa valeur soit suffisamment éle-
Régulation et surveillance par
tée en 6 . Le contacteur se ferme à 80 %
vée pour garantir un collage correct des
un ASIC
de la tension nominale et reste fermé,
contacts. Quand les contacts ferment, le
Afin de pouvoir respecter les impératifs liés
jusqu’à ce que la tension de commande
courant se trouve réduit à une fraction du
à un prix concurrentiel, au besoin de place
tombe en dessous de 50 % de celle-ci. La
courant de fermeture. Ce courant faible
et à la puissance dissipée, il a été néces-
tension admissible maximale atteint typi-
est suffisant pour maintenir les contacts
saire de développer un ASIC, c’est-à-dire
quement 250 % de la tension nominale.
fermés 4 .
un circuit intégré à application spécifique.
La surveillance de la tension de contrôle
Avec d’autres composants discrets (résis-
de l’interface bobine 7 admet une inter-
Régulation du courant de la bobine
en fonction de la plage de tension
de commande
i
U
UN
80 %
50 %
Courant de la bobine
Tension de commande
Tension nominale de commande
80 % de la valeur inférieure
de la tension commande
50 % de la valeur inférieure
de la tension commande
6
tances et condensateurs), l’ASIC assure
ruption de cette tension d’une demi-pé-
les fonctions suivantes:
riode, avant que le contacteur ne soit dé-
•
•
•
•
Surveillance de la tension d’alimentation
clenché. Cette fonction sert à filtrer les
Régulation à la fermeture et au maintien
perturbations du réseau d’alimentation. La
Régulation du courant de la bobine
limite inférieure de 50 % de la tension no-
Surveillance de la position du circuit
minale autorise les chutes de tension relativement importantes provoquées par les
magnétique
Le Centre de recherche norvégien d’ABB a
développé
cet
ASIC
en
technologie
CMOS. L’ASIC a une surface de 10 mm2
courants d’enclenchement des moteurs.
L’interface bobine assure le maintien du
contacteur en position fermée.
et intègre aussi bien des fonctions analogi1
2
Contacteur fermé
Contacteur ouvert
ques (par exemple des tensions de référence et des comparateurs) que des fonctions numériques.
Economie d’énergie
Un contacteur conventionnel à courant nominal de 100 A consomme environ 8 W en
fonctionnement en alternatif. Avec l’utilisa-
Avantages du nouveau contacteur
1
tion de l’interface bobine, la puissance absorbée tombe à 3 W. Pour les contacteurs
2
i
50%
80%
U
UN
Large plage de tension de
à gros calibre, la consommation d’énergie
commande et tolérances plus
diminue encore plus fortement par rapport
élevées envers les fluctuations
aux contacteurs conventionnels, de sorte
de tension
que les frais liés à la consommation
La plage de tensions du nouveau contac-
d’énergie se trouvent réduits. Un autre
teur 5 à interface de bobine est représen-
avantage important d’une puissance dissi-
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0.010
m
0.008
0.006
0.004
P
0.002
0
0
0.01
0.02
0.03
s
0.04
t
Circuit imprimé avec composants électroniques
servant à la surveillance et à la régulation du contacteur
7
Mouvement du circuit magnétique d’un contacteur
conventionnel et du nouveau contacteur à la fermeture
Bleu
Rouge
Contacteur conventionnel
Nouveau contacteur
P
t
Position
Temps
pée plus basse réside dans la diminution
tion contre les surtensions, spécialement
d’activation
de l’échauffement des armoires de com-
si le contacteur doit être installé dans une
contacteur et par des sorties fournissant
mande.
zone sensible aux perturbations.
Le nouveau contacteur utilise une diode
de roue libre pour la régulation M.L.I. du
Durée de vie prolongée
courant bobine. Cette diode conduit le
Le contrôle de la fermeture des contacts
courant bobine quand le FET est bloqué.
réduit considérablement les rebonds, ce
La diode court-circuite la bobine lorsque le
qui augmente le nombre de manoeuvres
contacteur est désactivé, avec pour résul-
admissibles.
tat une dissipation de toute l’énergie
Un essai d’endurance composé de ma-
stockée. Ainsi, il n’est plus nécessaire
noeuvres de fermeture et d’ouverture ré-
d’utiliser des composants de protection
pétées a fourni des résultats très promet-
externes.
ou
8
de
désactivation
des informations relatives à la tension de
contrôle de la bobine et à la position des
contacts.
teurs. Là où des contacteurs conventionnels présentent les premiers signes de
dommages, le nouveau contacteur semble
Niveau acoustique bas
toujours apte à remplir efficacement sa
Le nouveau contacteur à courant de bo-
fonction.
montre une comparaison
bine régulé en continu est considérable-
entre un contacteur conventionnel et un
ment plus silencieux que les contacteurs
Rédaction du texte français
contacteur du nouveau type. Pour ce der-
conventionnels alimentés en alternatif.
Claude Henrion
nier, le mouvement de commutation s’ef-
Dans ce dernier cas, un ronflement carac-
ABB Control
fectue beaucoup plus lentement et la vi-
téristique est perçu du fait des harmoni-
tesse à laquelle les contacts se rejoignent
ques issues de l’alimentation alternative.
8
Adresses des auteurs
n’atteint que la moitié de celle des contac-
Paul Stephansson
teurs conventionnels.
Solutions simplifiées pour la
Harald Vefling
connexion à un bus de terrain
Centre de recherche ABB
Surtensions plus faibles
Dans les systèmes automatisés, le bus de
Boîte postale 90
Lorsque la tension d’alimentation d’une
terrain apporte de nouvelles possibilités.
N-1361 Billingstad/Norvège
bobine est interrompue, la modification du
Les composants électriques connectés
Téléfax : +47 66 84 3540/41
courant induit des surtensions transitoires
sur le bus forment un réseau où l’intelli-
de plusieurs kV. Le contacteur supporte à
gence est distribuée. A cet effet, les com-
Gunnar Johansson
vrai dire ces surtensions, mais d’autres
posants ont besoin d’entrées de com-
Claude Henrion
composants électriques peuvent être per-
mande et de sorties de diagnostic. L’in-
ABB Control AB
turbés ou endommagés. Pour parer à
terface bobine offre cette potentialité
S-72161 Västerås/Suède
cette difficulté, on doit prévoir une protec-
d’interopérabilité par le biais d’entrées
Téléfax :+46 (0) 2112 6001
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