Etude des systèmes techniques Appareillage de raccordement et de commande 1. Appareil de raccordement : Le sectionneur 1.1 Rôle Le sectionneur est un appareil de connexion capable d’isoler ( séparer électriquement ), la partie de l’installation aval de la source de tension. On doit toujours ouvrir un sectionneur à vide. 1.2 Symbole 1.3 Particularités a) Position fermée * Il doit assurer le passage du courant nominal sans échauffement ni chute de tension. * Il doit également supporter une sur intensité de court circuit pendant le temps nécessaire à l’élimination du défaut sans se détériorer. ==> Qualité et dimensionnement des contacts / résistance aux efforts électrodynamiques. b) position ouverte La distance entre les contacts mobiles et les contacts fixes doit assurer l’isolation de l’installation, c’est à dire que le gradient de potentiel obtenu doit être très inférieur à la valeur de rigidité diélectrique de l’isolant utilisé. c) Sécurité * La coupure doit être visible, soit directement par l’observation des contacts soit indirectement par un indicateur de position. * Pour éviter les erreurs de manoeuvre par un personnel non habilité, le sectionneur comporte souvent un dispositif de verrouillage en position ouverte. * Les contacts doivent être isolés par rapport à la masse, d’où l’emploi d’isolateurs dimensionnés proportionnellement à la tension . * Le dispositif de commande doit être isolé par rapport aux pièces sous tension. * L’appareil ne doit pas pouvoir se refermer de lui même. Lycée polyvalent Jean Monnet E.S.T S.T.I GE Page 9/32 Etude des systèmes techniques d) conditions mécaniques * Appareil robuste et résistant ( chocs / intempéries ) de conception simple avec un entretient minimum. Les appareils d’extérieurs doivent pouvoir être manoeuvré même dans des conditions climatiques extrêmes ( neige, glace ... ). 1.4 Le sectionneur B.T domestique La fonction sectionneur obligatoire au départ de chaque circuit est réalisée par un sectionneur à fusibles incorporés. 1.5 Le sectionneur B.T industriel ( < 1000 V ) En utilisation industrielle, le sectionneur peut faire office de porte fusible. Il possède d’une manière générale: - Une poignée vérrouillable en position ouverte. - 3 à 4 pôles principaux. - 1 à 2 contacts auxiliaires. Les contacts auxiliaires ( contact de prés coupure sont utilisés pour couper le circuit de commande avant l’ouverture du circuit de puissance assurant ainsi une ouverture à vide des contacts principaux. Lycée polyvalent Jean Monnet E.S.T S.T.I GE Page 10/32 Etude des systèmes techniques 1.6 Le sectionneur disjoncteur. Dans les applications courantes on peut utiliser des sectionneurs disjoncteurs du type (optimal 25 Télémécanique ) qui assurent la protection contre les courts-circuits des moteurs, des contacteurs et des relais thermiques associés avec la fonction disjoncteur. 1.7 Le sectionneur M.T et H.T Pour des tensions entre 3.2 KV et 60 KV les sectionneurs sont utilisés pour permettre des coupures visibles et un isolement des installations. 1.8 Dénomination d’un sectionneur Il est nécessaire de préciser : - Le nombre de pôles. - La valeur de la tension. - L’intensité nominale. - Le nombre de contacts auxiliaires. - La nature de la commande. - Le système de fixation. Lycée polyvalent Jean Monnet E.S.T S.T.I GE Page 11/32 Etude des systèmes techniques 2. Appareillage de commande l’interrupteur 2.1 Fonction L’interrupteur est un appareil destiné à ouvrir et à fermer un circuit électrique en charge. Il possède un pouvoir de coupure ( dispositif d’extinction de l’arc ), permettant de couper l’intensité nominale sous la tension nominale, mais également un pouvoir de fermeture qui permet la fermeture en charge. 2.2 Symbole 2.3 Particularités a) Position fermée: * L’interrupteur doit assurer le passage du courant nominal sans échauffement ni chute de tension * Il doit également supporter une sur intensité de court circuit pendant le temps nécessaire à l’élimination du défaut sans se détériorer. ==> qualité et dimensionnent des contacts / efforts électrodynamiques b) L’ouverture * Pour couper un circuit en charge les interrupteurs doivent posséder un dispositif de coupure de l’arc électrique et dispositif d’ouverture brusque des contacts. * Dans le cas d’interrupteurs triphasés la commande d’ouverture des trois pôles doit être simultanée, dans le cas contraire il y a risque de déséquilibre au niveau de l’installation. c) position d’ouverture * En fin d’ouverture la distance entre les contacts mobiles et les contacts fixes doit éviter tout risque d’amorçage. d) La fermeture * Les interrupteurs doivent établir le courant nominal sous la tension nominale d’où nécessité d’un dispositif de fermeture rapide. e) Sécurité * Les contacts doivent être isolés par rapport à la masse d’où l’emploi d’isolateurs dimensionnés proportionnellement à la tension utilisée. - Le dispositif de commande doit être isolé par rapport aux parties sous tension - L’appareil ne doit pas pouvoir se fermer de lui même Lycée polyvalent Jean Monnet E.S.T S.T.I GE Page 12/32 Etude des systèmes techniques f) Conditions mécaniques * Appareil robuste et résistant ( chocs / intempéries ) de conception simple avec un entretient minimum. Les appareils d’extérieurs doivent pouvoir être manoeuvré même dans des conditions climatiques extrêmes ( neige, glace ... ). 2.4 Interrupteur industriel en BT Tension d’utilisation ( 250, 380, 500, 660 V) 2.5 Interrupteur HT Appareil surtout destiné à la coupure des distributions électriques et aux alimentations des transfor- mateurs - Tension d’emploi 3.6, 5.5, 7.2, 23, 36 KV - Courant d’emploi plusieurs centaines d’ampères 2.6 Dénomination des interrupteurs - Tension d’emploi - Courant d’emploi - Pouvoir de coupure - Nombre de pôles Lycée polyvalent Jean Monnet E.S.T S.T.I GE Page 13/32 Etude des systèmes techniques 3 Appareillage de commande : Le contacteur. 3.1 Fonction Un contacteur est un interrupteur commandé à distance. La fermeture des pôles s’obtient par l’alimentation d’un électroaimant de commande, lorsque l’on coupe cette alimentation ==> courant magnétisant nul, les pôles s’ouvrent sous l’action du ressort de rappel. Le contacteur est donc normalement ouvert au repos, Lorsque les pôles principaux sont fermés en position repos il est appelé “rupteur”. Le contacteur permet d’établir ou d’interrompre l’énergie électrique dans un circuit en charge ( interrupteur commandé ) dans des conditions normales ou de surcharges, il possède donc un pouvoir de coupure. 3.2 Symbole 3.3 Constitution générale a) contacteur à translation b) Contacteur à rotation - Eléments de base du contacteur - Pôles principaux qui établissent le courant ( équipé d’un dispositif de coupure de l’arc électrique ) - Electroaimant qui est l’organe moteur du contacteur - Des contacts auxiliaires - Bloc additionnel : contacts auxiliaires ou temporisé Lycée polyvalent Jean Monnet E.S.T S.T.I GE Page 14/32 Etude des systèmes techniques 3.4 Les pôles ou contacts principaux Le pôle est constitué d’un contact fixe et d’un contact mobile, il est caractérisé par son courant d’emploi, sa tension d’emploi, son pouvoir de coupure et de fermeture. Exemple pôle à soufflage magnétique de 200 à 300 A 3.5 La bobine La bobine produit le flux magnétique nécessaire à l’attraction du circuit magnétique mobile. Elle est conçue pour résister aux chocs mécaniques provoqués par la fermeture et l’ouverture du contacteur. Elles sont particulièrement résistantes aux sur tension. 3.6 Le circuit magnétique - En courant alternatif * Afin de réduire les pertes par courant de Foucault qui prennent naissance dans toute masse métallique soumise à un flux alternatif, le circuit magnétique est feuilleté. On utilise des tôles d’acier au silicium isolées entre elles et assemblées par rivets. * Lorsque l’électroaimant est ouvert, la réluctance du circuit magnétique est élevée c’est à dire que l’impédance de la bobine est faible. Il en résulte dans ces conditions un appel de courant très important, par contre une fois fermée, sa Lycée polyvalent Jean Monnet E.S.T S.T.I GE Page 15/32 Etude des systèmes techniques réluctance diminue, son impédance augmente, et le courant de maintient est beaucoup plus faible. Courant de maintient 6 à 10 fois le courant d’appel. On dit que le contacteur alternatif est auto-adaptif. * Alimenter sous une tension de 50 Hz le courant passe par 0 toute les 10 ms, le flux magnétique passe par 0 est la partie mobile n’est plus attirée. Il en résulte une vibration du contacteur ( 100 Hz ). Pour annuler cette vibration on utilise une bague en cuivre qui embrasse les deux tiers de la surface portante d’une branche du circuit magnétique. Cette bague a pour effet d’éviter, en déphasant une partie du flux, que la force d’attraction ne s’annule. On l’appelle spire de Frager. - En courant continu * Nous n’avons pas de flux variable donc pas de perte par courant de Foucault on peut donc utiliser des circuits magnétiques massifs en fer doux. * Lorsque le contacteur est fermé le courant de maintient est, comme pour le contacteur alternatif, beaucoup plus faible. Pour réduire le courant absorbé en position fermée on utilise une résistance branchée en série avec la bobine, cette résistance est appelée résistance d’économie, elle est mise en service par un contact auxiliaire en fin de fermeture. 3.7 Organes auxiliaires a) Contacts instantanés Ils sont destinés à assurer auto alimentation, les asservissements, les verrouillages des contacteurs dans les équipements. Il en existe deux types à fermeture, et à ouverture. b) contact temporisé Le contact temporisé permet d’établir ou d’ouvrir un contact un certain temps après la fermeture ( au travail ), ou à l’ouverture ( au repos ) du contacteur qui l’actionne. Lycée polyvalent Jean Monnet E.S.T S.T.I GE Page 16/32 Etude des systèmes techniques 3.3 Choix des contacteurs Pour choisir un contacteur il faut tenir compte d’un grand nombre de paramètres. a) Altitude L’affaiblissement de la densité de l’air avec l’altitude agit sur son niveau d’isolation, donc sur la tension d’emploi du contacteur, sur son pouvoir de coupure et donc par conséquent sur son courant d’emploi. Les contacteurs sont prévus pour fonctionner normalement jusqu’à’à une altitude de 3000 m, après il faut procéder à un déclassement. b) Catégorie d’emploi: Elle définit, pour l’utilisation normale d’un contacteur, les conditions d’établissement et de coupure du courant, en fonction du courant nominal d’emploi "Ie" et de la tension nominale d’emploi “Ue”, elle dépend : - De la nature du récepteur contrôlé ( résistance, moteur à cage, moteur à bagues ... ). - Des conditions d’emploi dans lesquelles s’effectuent les fermetures et les ouvertures ( moteur lancé ou calé, en cours de démarrage, freinage par contre courant ... ). - En alternatif * AC1 Elle s’applique à tous les récepteurs dont le facteur de puissance est au moins égal à 0.95 - Chauffage - Distribution * AC2 Coupure du moteur pendant le démarrage ou le freinage moteur à bague Elle concerne les applications pour les moteurs à bagues. A la fermeture l’intensité peut atteindre 2.5 In, à l’ouverture, il peut couper l’intensité de 2.5 fois l’intensité nominale. - Démarrage rotorique * AC3 Coupure du moteur lancé. Elle concerne les moteurs à cage, la coupure se faisant moteur lancé. A la fermeture le courant peut atteindre 6 In, à l’ouverture le courant à couper est voisin de In. - Démarrage direct * AC4 Coupure moteur pendant le démarrage ou le freinage moteur à cage. Elle concerne les applications pour les moteurs à bagues. A la fermeture l’intensité peut atteindre 6 In, à l’ouverture, il peut couper l’intensité de 6 fois l’intensité nominale. - Inversion du sens de marche - Freinage par contre courant - Marche par “à coups” Lycée polyvalent Jean Monnet E.S.T S.T.I GE Page 17/32 Etude des systèmes techniques - En courant continu * DC1, DC3, DC5 ( voir doc ). c) Autres facteurs de choix - Le courant nominal d’emploi. - Le courant temporaire admissible - Courant que peut supporter - Le courant d’emploi maxi ith. - Le courant temporaire admissible. - La puissance nominale d’emploi. - Le pouvoir de coupure. - Le pouvoir de fermeture. - Le facteur de marche (voir doc). - Le nombre de millions de manoeuvres. - La normalisation imposée par certains organismes, ou certains utilisateurs. 3.8 Exemples de choix de contacteur On prendra comme exemple une puissance de 11 KW sous 220V triphasé pour un million de manoeuvres a) Pour un départ de circuit de distribution Dans un circuit de distribution le contacteur peut être utilisé: - Comme contacteur de ligne Lycée polyvalent Jean Monnet E.S.T S.T.I GE Page 18/32 Etude des systèmes techniques Il devra être associé à un dispositif de protection contre les courts-circuits et les surcharge des lignes de distribution. La durée du service est longue et le nombre de manoeuvres réduit, la fermeture s’effectue généralement à vide et l’ouverture sur charge normale. Le pouvoir de coupure doit être élevé pour palier à tout incident, le contacteur doit être coordonné avec les dispositifs de protection. - Comme contacteur de couplage ou divisionnaire Le contacteur est placé en aval du dispositif général de coupure, il est utilisé pour l’alimentation de divers locaux. La durée du service est longue et le nombre de manoeuvres réduit, la fermeture et l’ouverture s’effectuent généralement à vide. Pour choisir ce type de contacteur on teint compte: - Du courant thermique maximal admissible en catégorie AC1 - De la température ambiante qui si elle est supérieure à 40 °C pourra nécessiter l’emploi d’un contacteur de calibre supérieur. - De la section des câbles de raccordement. Exemple Contacteur divisionnaire pour l’alimentation d’un atelier, on envisage une puissance disponible de 11 KW sous 220 V triphasé. I= Pour 1 million de manoeuvres on trouve le contacteur LC1 D32 A65 ==> un conducteur d’alimentation de 6 mm² avec un courant d’utilisation en AC1 de 32A Choix : b) Contacteur pour un circuit d’éclairage Les circuits étant définis pour un nombre calculé de sources lumineuses non modifiables il suffit de les protéger contre les courts circuits avec des fusibles de type G1 32 A. - Lampe à filament * Utilisation nécessitant peut de manoeuvres * Cos φ voisin de 1 ( 0.95 ) *Une pointe d’intensité, pouvant varier de 15 à 20 In, doit être prise en compte à la fermeture du circuit ( filament froid peut résistant ). Exemple 220 V tri P= 11 KW Lycée polyvalent Jean Monnet E.S.T S.T.I GE Page 19/32 Etude des systèmes techniques In= Donc IP = 18 In = C’est le pouvoir de fermeture qui conditionne le choix du contacteur. On choisit un contacteur 50A en AC1 car son pouvoir de fermeture est de 550 A Choix : - Lampe à vapeur de mercure * Utilisation nécessitant peut de manoeuvres. * Cos f voisin de 0.5, il s’agit d’un circuit selfique, et un arc important peut se produire au moment de la coupure. * La pointe d’intensité lors de la mise sous tension est faible 1 à 1.6 In. On utilise alors le contacteur dans la catégorie AC3 L’intensité à couper est de I= C’est l’intensité nominale qui détermine le choix du contacteur Choix : - Lampe fluorescente ( lampe à décharge avec compensation du cos φ ) * Utilisation nécessitant peut de manoeuvre * Cos f passe de 0.5 à 1 *Une pointe d’intensité, pouvant varier de 15 à 20 In, doit être prise en compte à la fermeture du circuit et il faut vérifier si le contacteur peut fermer le circuit. Exemple 220 V tri P= 11 KW In= Donc IP = 18 In C’est le pouvoir de fermeture qui conditionne le choix du contacteur. Lycée polyvalent Jean Monnet E.S.T S.T.I GE Page 20/32 Etude des systèmes techniques On choisit un contacteur 50A en AC1 car son pouvoir de fermeture est de 550 A. Choix : c) Circuit de chauffage - La variation de résistance entre l’état froid et l’état chaud entraîne une pointe d’intensité à la fermeture de 2 à 3 In. - Utilisation nécessitant peut de manoeuvre - Coupure en charge du courant nominal - Seul l’intensité thermique est à prendre en compte car le cos f est voisin de 1 - Les contacteurs étant généralement dans des coffrets il faut tenir compte de l’élévation de température ( de 55 à 60°C). Exemple 220 V tri P= 11 KW Cos φ = 0.95 In= Donc on choisit un contacteur en AC1 de plus de 30.5 A Choix d) Alimentation du primaire d’un transformateur L’ors de la fermeture du primaire du transformateur une pointe d’intensité au cours de la première demie onde peut atteindre jusqu’à 25 à 30 fois In. C’est le pouvoir de fermeture qui conditionne le choix du contacteur. U = 380 V tri Puissance du transformateur 12.5 KVA. Charge secondaire: Un moteur 11 KW sous 220 V. L’intensité au primaire est de : I= On choisit un contacteur en AC3 de 40 A qui a un pouvoir de fermeture de 800 A Choix Lycée polyvalent Jean Monnet E.S.T S.T.I GE Page 21/32 Etude des systèmes techniques e ) Coupure d’un moteur lancé C’est le cas le plus fréquent. - AC2 Pour les moteurs a bagues. - AC3 Pour les moteurs à cage. Exemple U220 V P= 11 KW I emploi 39 A Choix Pour 1 million de cycle de manoeuvres en catégorie AC3 un contacteur 40 A pourra être utilisé jusqu’à 2 millions Durée de vie du contacteur Pour l’entretient des installations il est nécessaire d’avoir un ordre d’idée en ce qui concerne le remplacement des contacteurs et donc de savoir leur durée de vie - Durée de vie: C’est l’endurance électrique d’un contacteur en fonction du courant coupé divisé par le nombre de manoeuvres horaires multiplié par le nombre d’heures travaillé par mois multiplié par le nombre de mois travaillé dans l’année. Exemple un contacteur qui fonctionne 50 fois par heure, 200 heures par mois sur 10 mois par an à une durée de vie de : f) Coupure durant le démarrage ou le freinage - AC2 Pour les moteurs a bagues. - AC4 Pour les moteurs à cage. Lycée polyvalent Jean Monnet E.S.T S.T.I GE Page 22/32 Etude des systèmes techniques * Utilisation utilisant un grand nombre de manoeuvres. * Intensité à couper importante. * A chaque coupure un arc prend naissance entre les contacts et détruit une partie de ceux ci. L’usure est plus rapide qu’en AC3. Exemple U220 V P= 11 KW I emploi 39 A Moteur à bagues I coupé = 2.5 Ie Moteur à cage I coupé = 6 Ie choix 3.9 Complément Pour les contacteur utilisé pour les démarrage, iIl convient de tenir compte du mode de fonctionnement des contacteurs de démarrage pour effectuer leur choix. 4. Les discontacteurs Un discontacteur est l’association d’un contacteur et d’un relais thermique. Ils peuvent être assemblés ou compact. 5. Les intégrés (contacteurs-disjoncteur) L’équipement d’un circuit terminal doit réaliser 5 fonctions essentielles: - La protection contre les surcharges - La protection contre les courts circuits - La commande - Le sectionnement - L’arrêt d’urgence Ces fonctions sont traditionnellement assurées par des appareils distincts que l’on doit associer pour constituer des structures de type. Fusible + contacteur + relais thermique Ou Disjoncteur + contacteur + relais thermique Maintenant on trouve sur le marché des appareils qui intègrent ses différentes fonctions sous la forme d’un boîtier compacte sur lequel on peut ajouter certaine option qui complète l’installation du type contacteur disjoncteur. Il comprend: -Un disjoncteur limiteur à haut pouvoir de coupure: Lycée polyvalent Jean Monnet E.S.T S.T.I GE Page 23/32 Etude des systèmes techniques Il assure la protection contre les courts circuits, le pouvoir de coupure est très élevé et a pour effet de limiter le courant de court circuit par une coupure ultra-rapide. - Un contacteur Pour le contrôle automatique et la télécommande. - Un sectionnement La fonction de sectionnement sur ce type d’appareil est conforme à la norme NF C 15 100. - Si on lui ajoute un module de protection magnéto-termique il assure une protection contre Les faibles surcharge et les surintensités moyennes, avec une possibilité de réglage. 6. Incidents entraînant la détérioration des contacteurs Si un contacteur est détérioré il convient de vérifier son choix, si le choix est correct, le problème vient souvent d’un défaut du circuit de commande qui entraîne un mauvais fonctionnement de l’électro aimant. 6.1 Les différentes sources de perturbations a) Chute de tension du réseau Une chute de tension occasionnée par le démarrage du moteur, au moment ou les contacts se touchent, entraîne une perte d’énergie au niveau du circuit magnétique qui n’a plus assez de force pour fermer les contacts, la pression sur les pôles étant nulle, ceux ci se soudent, lorsque le moteur à atteint sa vitesse nominale, la tension augmente et le circuit magnétique se ferme normalement, mais les contacts peuvent rester soudés. Dans ce cas, c’est l’installation qui est en cause. Il faut recalculer la longueur et la section des conducteurs de ligne et éventuellement la puissance du transformateur d’alimentation. b) Chute de tension après une coupure secteur. Lors de la reprise du secteur si plusieurs moteurs redémarrent en même temps on peut avoir le même problème que précédemment. Il faut prévoir un système qui fasse démarrer les moteurs avec un décalage dans le temps. c) Chute de tension dans le circuit de commande Si de nombreux contacts sont en série dans le circuit de la bobine du contacteur il peut se produire une chute de tension qui s’ajoute à la précédente. Dans ce cas il faut relayer l’appareillage et limiter le nombre de contacts en série avec la bobine du contacteur. d) Vibration des contacts Il peut arriver que la fermeture des contacteurs crée des vibrations dans d’autres contacteurs occasionnant ainsi des fermeture incomplète et un soudage des contacts. Un remède consiste alors à temporiser l’ordre de fermeture de quelques secondes. c) Micro coupure du réseau Lors de la refermeture du contacteur après une brève disparition de la tension du réseau ( quelque millisecondes), Il se produit dans le moteur une pointe d’intensité pouvant atteindre le double de la pointe d’intensité au démarrage, il y à risque de soudure des pôles par dépassement du pouvoir de fermeture. Pour protéger les contacts il faut, soit temporisé la refermeture de plusieurs secondes, soit retardé l’ouverture du contacteur ( alimentation avec redresseur et capacité). 6.2 Conséquence des incidents Si, par suite d’une perturbation les pôles d’un contacteur se soudent, il ne se passe rien d’anormal avant l’ordre d’arrêt du moteur. Lycée polyvalent Jean Monnet E.S.T S.T.I GE Page 24/32 Etude des systèmes techniques A l’ouverture le contacteur restera suspendu sur le ou les pôles soudés, les pôles non soudés s’ouvriront de quelques dixièmes de millimètres. Un arc prend naissance et laisse passer le courant, le moteur continu à tourner et l’arc électrique brûle les contacts et met le feu à l’appareil. Le courant n’étant pas supérieur à l’intensité nominale, les protections n’ont pas à intervenir avant que le feu ait provoqué un court-circuit. Exemple de soudure de contact Documentation technique Définition des catégories d'emploi Caractéristiques d'essais correspondant aux catégories d'emploi normalisées en alternatif Caractéristiques principales en alternatif Caractéristiques principales en alternatif ou continu Guide de choix Définitions Lycée polyvalent Jean Monnet E.S.T S.T.I GE Page 25/32 Etude des systèmes techniques Lycée polyvalent Jean Monnet E.S.T S.T.I GE Page 26/32 Etude des systèmes techniques Lycée polyvalent Jean Monnet E.S.T S.T.I GE Page 27/32 Etude des systèmes techniques Lycée polyvalent Jean Monnet E.S.T S.T.I GE Page 28/32 Etude des systèmes techniques Lycée polyvalent Jean Monnet E.S.T S.T.I GE Page 29/32 Etude des systèmes techniques Lycée polyvalent Jean Monnet E.S.T S.T.I GE Page 30/32 Etude des systèmes techniques Lycée polyvalent Jean Monnet E.S.T S.T.I GE Page 31/32 Etude des systèmes techniques Lycée polyvalent Jean Monnet E.S.T S.T.I GE Page 32/32