1 Décomposition fonctionnelle.

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1 1 Décomposition fonctionnelle. 1.1 Rappel. Une chaîne cinématique modélise de manière claire les dispositifs concourant aux mouvements d une partie opérative. Elle définit les relations qui en lient les variables. La structure la plus répandue est la suivante : Energie électrique Energie mécanique Partie Opérative Source d'alimentation Modulateur d'énergie Convertisseur d'énergie Adaptateur Réseau de distribution classique. Démarreur, Variateur,... Moteurs... asynchrone, continu, synchrone. Réducteur, treuil, poulie... Il devient de moins en moins possible de dissocier l étude, le choix et la mise en œuvre du modulateur et du convertisseur. 1.2 Fonctions Un départ-moteur comprend quatre fonctions de base : - le sectionnement, - la protection contre les courts-circuits, - la protection contre les surcharges, - la commutation ou commande (marche - arrêt). Chaque départ-moteur peut être enrichi de fonctionnalités supplémentaires selon les besoins de l application. Elles peuvent concerner : - la puissance : variation de la vitesse, démarrage progressif, inversion de phase, etc. - le contrôle : contacts auxiliaires, temporisation, communication, etc. Selon la constitution d un départ-moteur, les fonctions peuvent être réparties de différentes manières. 1/14

2 2 Commande fonctionnelle. 2.1 Présentation Généralité. Les contacteurs sont des composants électromécaniques de commutation monostables commandés électriquement. Ils sont capables d établir, de supporter et d interrompre un courant électrique dans des conditions données y compris les surcharges de service Vocabulaire. Au niveau du vocabulaire il faut différencier plusieurs termes : relais, contacteur, contacteur auxiliaire, minicontacteur, contacteur de puissance etc Plusieurs fonctions peuvent être remplies : isolation galvanique, amplification de courant, multiplication d information. Dans chacun des cas, les composants sont similaires (bobine + contacts), mais le vocabulaire change! Fonction remplie Appellation Critère de choix Equivalents technologiques isolation galvanique Relais Niveau d isolation Opto-coupleur, Amplification de courant multiplication d information Contacteur, (de puissance) Relais, contacteur auxiliaire Courant d emplois Nombre et type de contacts Transistor, relais statique, etc? Dans la suite on étudiera plus particulièrement les contacteurs Constitution. Ils sont constitués de trois parties fonctionnelles distinctes : les pôles de coupure, l organe de commande (bobine) et les contacts auxiliaires. Elément de commande Pôles de coupure Contacts auxiliaires Les contacts principaux ou contacts de puissance sont les éléments qui permettent d établir et d interrompre le courant 1, un pôle est défini par ses valeurs nominales de courant et de tension. Les contacts sont généralement ouverts au repos 2. 1 Ils sont équipés de contacts argent-oxyde de cadmium dont la résistance à l arc et l endurance mécanique sont remarquables. 2 Remarque : un rupteur est un contacteur dont les contacts principaux sont fermés au repos. 2/14

3 La commande est assurée par un électro-aimant qui comprend un circuit magnétique ouvert (composé de deux parties : une mobile l autre fixe) et une bobine. Lorsqu elle est alimentée, la bobine produit un flux magnétique qui entraîne l attraction de l armature mobile et donc la fermeture des pôles solidaires 3. Dès que la bobine est privée de tension, le circuit magnétique se démagnétise et l armature mobile retrouve sa position de repos grâce à des ressorts de rappel. Les auxiliaires sont les organes qui permettent d assurer la communication entre le contacteur et les commandes externes comme : auto-maintien, verrouillage électrique, signalisation etc... Auxiliaires frontaux Module antiparasites Verrouillage mécanique Auxiliaires latéraux Auxiliaires temporisés Ils sont de plusieurs types : instantané à fermeture (F ou NO) c est à dire ouvert au repos et passant sinon, instantané à ouverture (O ou NC) c est à dire passant au repos et ouvert sinon, instantané (OF) les deux contacts ont un point commun. On parle aussi d inverseur. temporisé au travail, les contacts basculent un certain temps après l alimentation, temporisé au repos, les contacts basculent un certain temps après la désalimentation. Les symboles en sont les suivants : 3 Ce mouvement est soit : rotatif en pivotant sur un axe (simple coupure), rectiligne en glissant parallèlement aux parties fixes (double coupure). 3/14

4 Il faut y ajouter les options comme les verrouillages mécaniques, les filtres anti-parasites, les couplages câblés pour les inverseurs, etc Repérage. Voir le chapitre 13 sur la schématisation 2.2 Choix d un contacteur. Le choix d un contacteur est fonction : de la nature du réseau, des caractéristiques de la charge 4 : puissance, service et type, du type de commande envisagée. Cela se traduit par la définition de plusieurs paramètres propres aux contacteurs Caractéristiques électriques. On définit la tension assignée d emploi comme la tension maximale supportée par les pôles ouverts en fonctionnement normal, on la note Ue. Le courant assigné d emploi (Ie) donné par un constructeur dépend de la catégorie d emplois principalement mais aussi d autres paramètres comme la température, la tension d emploi etc... Il s agit du courant maximal qui pourra traverser les pôles en régime établi, dans des conditions spécifiées et sans provoquer d échauffement anormal. On peut généralement assimiler le courant thermique conventionnel (Ith) au courant d emploi en catégorie AC Catégories d emploi. La catégorie d emplois définit les valeurs maximales des courants établi et coupé. Donc, en fonction du processus à commander, on détermine la catégorie d emploi qui permet de dimensionner le contacteur. En effet, un contacteur devant couper et établir un courant de 50 A est différent de celui qui doit couper 50 A mais établir 350 A... Les normes ont inventorié plusieurs catégories d emploi dont les plus connues sont les suivantes : En courant alternatif : AC1 : charge résistive ou ayant un Cos( ) > 0,95 fermeture et coupure Ie. AC3 : moteur asynchrone à cage coupure moteur lancé, fermeture sur 6.Ie et coupure de Ie. En courant continu, et pour simplifier, on distingue deux types de catégories d emplois : DC1 DC2 (3, 4, 5) : charge résistive dont la constante de temps vaut moins de 1ms, : charge inductive telle que < 15 ms, il s agit de la plupart des machines à courant continu Caractéristiques «mécaniques». L endurance mécanique d un contacteur est le nombre moyen (exprimé en million) de cycles de manœuvres à vide qu il est susceptible d effectuer sans défaillance mécanique. 4 Attention au cas d un contacteur monté en amont d un variateur de vitesse 4/14

5 L endurance électrique par contre est le nombre moyen (exprimé en million) de cycles de manœuvres en charge qu il est susceptible d effectuer sans entretien. On parle aussi de durée de vie électrique. Celle-ci est donnée en fonction de la catégorie d emploi et de la tension Ue pour un courant coupé comme dans l exemple ci-contre (contacteur 3RT1015 Siemens). On peut remarquer que la durée de vie est fonction du courant coupé. Elle vaut 2 millions de cycles de manoeuvres pour 7 A et décroît jusqu à cycles de manoeuvres pour 50 ampères Comportement de la bobine. La bobine est un circuit inductif qui présente un fort appel de courant à la mise sous tension comme on peut le voir sur l oscillogramme relevé lors d une séance d essais : Ceci correspond aux caractéristiques de puissance annoncées par le constructeur : Doc Schneider 5/14

6 Il est aisé de comprendre pourquoi la puissance d appel doit être prise en compte dans le dimensionnement d un transformateur alimentant un circuit de commande : celui-ci doit fournir la puissance de maintien en permanence et la puissance d appel de temps en temps!! Le constructeur Legrand, pour évaluer la taille d un transformateur, utilise la formule suivante : Pappel = 0,8 x [Pamax + (Pm + Pv)] puis il fournit des tableau de choix : S=f(Pappel). Le constructeur Schneider, pour évaluer la taille d un transformateur, utilise la puissance de maintien totale et la puissance d appel max puis il utilise des courbes Pm=f(Pa) ci-dessous : Dans cet exemple, pour une puissance d appel de 1100 VA et une puissance de maintien de 260 VA, le constructeur préconise un transformateur de puissance apparente S=630 VA Désignation complète. Le problème de la désignation d un contacteur est capital car cette désignation synthétise l ensemble des fonctionnalités que doit avoir le produit choisi. La désignation doit donc caractériser la taille du contacteur, mais aussi sa commande (valeur et type) et les dispositifs auxiliaires. Chaque constructeur ayant ses propres codes, l exemple qui suit n est donné qu à titre indicatif. LC1-D contacteur tripolaire avec la commande en alternatif, 32 courant assigné d emploi maximal en catégorie AC3 : 32 A, 0 nombre de contact auxiliaire normalement ouvert : 0, 1 nombre de contact auxiliaire normalement fermé : 1, M valeur efficace de la tension de commande : 220 V, 7 valeur de la fréquence de la tension de commande : 50/60 Hz. Cet exemple montre bien le soin particulier qu il faut apporter à la désignation d un composant, après son choix lors de sa commande! Un B au lieu du M signifiant 24 V, la bobine serait détruite à la première mise sous tension quelles que soient les précautions de câblage ou d essai. 6/14

7 2.3 Le contacteur auxiliaire. On appelle contacteur auxiliaire, ou simplement relais, un contacteur destiné à alimenter des circuits inductifs de faible puissance comme les bobines de contacteurs ou de relais. Ils servent généralement à multiplier une information pour la reporter à plusieurs endroits d un schéma. De fait, ils servent dans les circuits de commande pour matérialiser des équations logiques simples. Les conditions d emploi des contacts auxiliaires additifs, qu ils soient frontaux ou latéraux sont les mêmes. 2.4 Le relais statique Description. Les relais statiques utilisent la capacité de commutation des semi-conducteurs pour réaliser la fonction établir/interrompre un courant électrique. Comme il n y a pas de commutation mécanique, leur durée de vie est beaucoup plus grande que celle des contacteurs et ils sont silencieux! Raccordement. Commande Puissance Le raccordement est similaire à celui d un contacteur classique avec les notions de commande et puissance Caractéristiques générales. commande TOR et isolation galvanique comme les contacteurs, fréquence de commutation élevée jusqu à 50 Hz (au lieu de 1 Hz), nombre de cycle de manœuvres quasiment illimité (au lieu de 10 à 30 millions de cycles), absence de parasites liés à l ouverture d une bobine, puissance de commande réduite environ 1 VA (au lieu de 70 en puissance d appel), possibilité de fonctionnement synchrone, courant d emploi limité environ 100 A (contrairement aux contacteurs 1600 A), fragilité accrue par rapport aux contacteurs : dv/dt par exemple. Leur utilisation est généralisée pour la commande de résistances dans le but de réguler une température. Elle se développe aussi pour la commande de petits moteurs asynchrones (commande au zéro de la tension pour diminuer la pointe d intensité au démarrage). 7/14

8 3 Commande fonctionnelle intégrée. 3.1 Départ moteur intégré. Un départ moteur de ce type sera étudié en TP, seul un synoptique vous est fourni... Les symboles ci-dessus montre les différents modules qu il est possible d associer à un disjoncteur-contacteurinverseur de type Intégral 32 à savoir : des contacts auxiliaires (droite et gauche, signalisation et protection), un module de déclenchement à distance (type MX) et un module de ré armement motorisé 8/14

9 3.2 Contrôleur communicant Description. Le départ moteur regroupe les fonctions classiques annoncées : sectionnement et protections contre les courts-circuits au niveau de Q6, commutation à l aide de KM1. L intelligence réside dans l unité de contrôle A et les capteurs de courant C. Un module communication peut être rajouté pour connecter ce départ sur un réseau Informations disponibles... Les informations de protection et de contrôle disponibles dépendent de l unité de contrôle à laquelle le module de communication est associé. Les informations traitées sont échangées par une liaison série. Commandes de marche et d arrêt ; Etats (prêt, en marche, défaut) ; Réarmement automatique et à distance par le bus ; Différenciation des défauts ; Alarme ; Indication de la charge moteur ; Paramétrage et consultation à distance de toutes les fonctions ; Fonction "historique" ; Fonction "surveillance" Raccordements. 9/14

10 3.2.4 Commande locale. Schéma anglo-saxon Commande par bus. Schéma anglo-saxon 10/14

11 4 Modulateurs d énergie. 4.1 Avertissement... Ce n est pas dans ce document que vous trouverez les caractéristiques internes des démarreurs ou variateurs de vitesse... Le cours de sciences appliquées est à votre disposition pour vous expliquer en détails les principes «physiques» mis en œuvre pour moduler l énergie en vue d obtenir un fonctionnement voulu. Reportez-vous donc au cours de votre professeur de Sciences Appliquées. 4.2 Fonctions classiques Démarreur Ralentisseur progressif. Voir exemple en annexe Variateur de vitesse pour Mas.. Voir exemple en annexe 4.3 Fonctions évoluées... Liens utiles... Les cahiers technique Schneider n 207 et 208, vous savez où! Les sites des constructeurs ABB, Leroy-Somer ou Télémécanique 11/14

12 Exemple de démarreur progressif : Digistart STV /14

13 Exemple de variateur de vitesse pour Mas : ATV 58 13/14

14 (Notes) 14/14