Les commandes de moteur intelligentes peuvent maximiser la résilience et la disponibilité

Des commandes de moteur intelligentes sont nécessaires pour maximiser la résilience et la disponibilité des machines dans la prochaine génération de fabrication de l'Industrie 4.0, le traitement des métaux et des matériaux de base, l'extraction et l'exploitation minières, et les infrastructures critiques comme les usines de traitement de l'eau potable et des eaux usées.

Les commandes de moteur dans ces applications doivent être capables de contrôler et de protéger des moteurs entre 75 chevaux (HP) et 700 HP. Une protection complète, incluant une protection contre les surcharges, une protection contre les défauts à la terre et une protection contre les déséquilibres de phase, est requise pour prendre en charge un fonctionnement résilient.

Ces systèmes doivent également comporter des fonctions d'autodiagnostic pour l'usure des contacts et la détection de surtension ou de sous-tension de bobine avec des indicateurs visibles pour permettre la maintenance prédictive, et présenter des conceptions modulaires pour une maintenance plus rapide afin de maximiser le temps de disponibilité. La conformité avec le courant nominal de court-circuit (SCCR) CEI (Commission électrotechnique internationale), UL et NEC (National Electrical Code) est nécessaire pour garantir que l'équipement électrique peut supporter de forts courants sans être endommagé et qu'il est sûr.

Ces commandes de moteur doivent également être conformes à la norme CEI 60947-4-1, qui couvre la sécurité des contacteurs et démarreurs électromécaniques, y compris les dispositifs de connexion de protection des moteurs (MPSD), les dispositifs de connexion de protection des moteurs à action instantanée uniquement (IMPSD) et les actionneurs de relais de contacteur.

Cet article commence par un aperçu des exigences SCCR. Il explore ensuite une gamme récemment développée de commandes de moteur intelligentes de Schneider Electric, y compris des contacteurs modulaires et des relais de surcharge, et détaille le rôle des fonctions de protection et la manière dont l'autodiagnostic est mis en œuvre.

Il examine comment ces relais de surcharge répondent aux exigences de la norme CEI 60947-4-1 et explique comment la conception modulaire accélère la maintenance préventive. Il se termine en montrant comment deux contacteurs peuvent être utilisés pour constituer un assemblage inverseur, permettant le contrôle bidirectionnel des moteurs CA.

Le SCCR est une caractéristique essentielle lors de la spécification d'un panneau de commande qui contribue à la fiabilité globale. Il est utilisé lors du dimensionnement des composants de puissance tels que les contacteurs et les conducteurs. La norme CEI 60947-4-1 détaille trois phases pour le calcul du SCCR (Figure 1) :

1. Identifier le SCCR de chaque composant de protection et/ou de commande et de chaque bloc et élément dans le système de distribution.
2. Déterminer le SCCR de chaque circuit de dérivation. Basé sur les valeurs des composants du circuit.
3. Déterminer le SCCR du panneau de commande complet. Basé sur les valeurs des circuits.

Figure 1 : Les calculs SCCR commencent avec les valeurs nominales des composants individuels (rectangles jaunes), puis déterminent le SCCR des circuits de dérivation (pointillés rouges), et enfin prennent en compte les besoins SCCR du panneau de commande complet (rectangle gris). (Source de l'image : Schneider Electric)

Contacteurs TeSys Giga

Les contacteurs TeSys Giga sont disponibles avec des valeurs nominales de 115 ampères (A) à 900 A dans des configurations à 3 pôles (3P) et à 4 pôles (4P). Ils sont dotés de SCCR répertoriés jusqu'à 100 kiloampères (kA) et 480 volts (V), avec les spécificités pour les différents dispositifs de protection et valeurs nominales indiquées dans un tableau sur le côté du contacteur. De plus, les contacteurs 4P affichent les puissances nominales des moteurs HP et AC-3. Ces contacteurs sont disponibles pour deux catégories de charge :

• AC-1 – S'applique aux charges CA où le facteur de puissance est supérieur à 0,95. Il s'agit principalement de charges non inductives ou légèrement inductives, telles que les charges résistives. La rupture de l'arc résulte en une formation d'arc minimale et une usure des contacts.
• AC-3 – S'applique aux moteurs à cage d'écureuil avec coupure pendant le fonctionnement normal du moteur. À la fermeture, il y a un courant d'appel pouvant atteindre sept fois le courant nominal à pleine charge du moteur. A l'ouverture, le contacteur coupe le courant nominal à pleine charge du moteur.

Les contacteurs TeSys Giga peuvent être alimentés par une tension de commande en courant alternatif (CA) ou en courant continu (CC) et disposent de parasurtenseurs intégrés. Il existe deux versions de contacteurs, standard et avancée. Les contacteurs standard sont destinés à un usage général. Exemples :

• LC1G1154LSEN, 4P pour charges AC-1. Répertorié pour 250 A avec une bobine à large bande de 200-500 V CA/CC
• LC1G225KUEN, 3P pour charges AC-3. Répertorié pour 225 A avec une bobine de 100-250 V CA/CC

Les contacteurs TeSys Giga avancés présentent des fonctionnalités supplémentaires telles qu'une plus grande sélection de tensions de bobine, une consommation d'énergie de bobine inférieure, une entrée d'automate programmable (PLC) et une conception de câble permettant la maintenance sans avoir à retirer les câbles ou les connexions de barres omnibus.

Les modèles avancés sont également compatibles avec le module RWD (Remote Wear Diagnosis) optionnel abordé dans la section suivante. Exemples de contacteurs avancés :

• LC1G115BEEA, 3P pour charges AC-3. Répertorié pour 115 A avec une bobine de 24-48 V CA/CC
• LC1G800EHEA, 3P pour charges AC-3. Répertorié pour 800 A avec une bobine de 48-130 V CA/CC

Tous les contacteurs TeSys Giga incluent une LED de diagnostic sur le panneau avant pour évaluer rapidement les conditions de défaut (Figure 2).

Figure 2 : Contacteur TeSys Giga typique montrant la LED de diagnostic en haut au centre de l'unité. (Source de l'image : DigiKey)

Les contacteurs TeSys Giga sont dotés de plusieurs fonctions de diagnostic intégrées pour améliorer la fiabilité et permettre la maintenance préventive, y compris :

Diagnostic d'usure des contacts et RWD

Les contacts s'usent chaque fois qu'ils coupent le courant dans le circuit d'alimentation. Une défaillance de contact entraîne une perte de commande du moteur. L'algorithme d'usure des contacts dans les contrôleurs TeSys Giga calcule en continu la durée de vie restante des contacts. Lorsque la durée de vie restante est inférieure à 15 %, une alerte est émise, permettant de planifier une maintenance préventive :

• Une alerte locale est visible sur la LED de diagnostic à l'avant du contacteur.
• Un module RWD en option peut être utilisé avec des contacteurs avancés.

Diagnostic de tension de commande

La tension de commande surveille les conditions de sous-tension et de surtension. L'indication de diagnostic est disponible à distance sur les unités dont le numéro de référence se termine par LSEMC, à l'aide d'un module de gestion des dispositifs à distance (RDM) en option. Une sous-tension est définie comme une tension d'alimentation inférieure à 80 % de la spécification minimum, et une surtension est définie comme supérieure à 110 % de la spécification maximum.

Diagnostic de fonctionnement interne

Le clignotement continu de la LED de diagnostic signale tout dysfonctionnement interne du circuit de commande.

Dispositifs de connexion de protection des moteurs

Les commandes de moteur intelligentes telles que les contacteurs TeSys Giga constituent un élément important des installations de l'Industrie 4.0. L'utilisation de MPSD est également une considération importante pour garantir une productivité et une disponibilité maximales.

Dans la norme CEI 60947-4-1, MPSD fait référence à un dispositif conçu avec un retard pour protéger un moteur contre les conditions de surcharge. Un deuxième type de dispositif, un IMPSD, est un type spécifique de MPSD qui se déclenche immédiatement lors de la détection d'une surcharge. Les IMPSD ne sont généralement pas associés à la protection des moteurs CA.

Selon l'application, le démarrage du moteur peut prendre quelques secondes ou plusieurs dizaines de secondes. Le MPSD doit être spécifié pour répondre aux exigences de l'application en matière de sécurité tout en évitant les déclenchements intempestifs.

Pour répondre aux besoins spécifiques des applications, la norme CEI 60947-4-1 définit plusieurs classes de relais de surcharge. La classe de déclenchement indique le temps maximum nécessaire au relais pour s'ouvrir en cas de surcharge.

Il existe également des différences entre les classes de déclenchement nord-américaines et CEI. Par exemple, la classe 10 est une classe de déclenchement nord-américaine qui déclenche la surcharge dans les 4 à 10 secondes suivant la détection de 600 % du réglage de courant de surcharge. La classe 10A est une classe de déclenchement CEI qui déclenche la surcharge dans les 2 à 10 secondes suivant la détection de 720 % du réglage de courant de surcharge (Tableau 1).

Tableau 1 : Exemples de classes de relais de surcharge thermique en fonction du courant nominal (Ir). (Source du tableau : Schneider Electric)

Les classes de déclenchement 10A et 10 conviennent aux moteurs à usage normal. La classe 20 est recommandée pour les moteurs à usage intensif afin d'éviter les déclenchements intempestifs. La classe 30 est utilisée avec un moteur à démarrage très long.

Relais de surcharge TeSys Giga

Les relais de surcharge thermique TeSys Giga sont hautement flexibles et conçus pour être utilisés avec des moteurs CA. Les paramètres de protection contre les défauts à la terre, de protection contre les déséquilibres de phase et de classe de déclenchement (5, 10, 20 et 30) sont configurables sur le panneau avant. Le panneau avant inclut également des LED d'alarme et d'état. Ces dispositifs offrent de larges plages de protection contre les surcharges thermiques réglables qui permettent à quatre modèles superposés de gérer des applications de 28 A à 630 A (Figure 3) :

LR9G115, réglable de 28 A à 115 A

LR9G225, réglable de 57 A à 225 A

LR9G500, réglable de 125 A à 500 A

LR9G630, réglable de 160 A à 630 A

Figure 3 : Le panneau avant des relais de surcharge TeSys Giga inclut des LED d'état et des réglages de protection. (Source de l'image : DigiKey)

Surcharges thermiques

La protection contre les surcharges thermiques est utilisée avec les moteurs asynchrones à une phase et à trois phases. Le niveau de courant pour la protection contre les surcharges thermiques peut être ajusté en fonction du modèle de relais de surcharge utilisé. De plus, la classe de déclenchement et le retard associé sont réglables. La protection contre les surcharges thermiques peut être définie pour une réinitialisation automatique ou manuelle.

Perte de phase

La protection contre la perte de phase est utilisée pour protéger les moteurs asynchrones triphasés contre la surchauffe. Le relais de surcharge surveille en permanence le courant dans chaque phase. Lorsque la valeur du courant dans l'une des phases est inférieure à 0,1 du courant nominal (Ir) et que la valeur du courant dans une autre phase est supérieure à 0,8 Ir, le relais de surcharge se déclenche dans les 4 ±1 secondes. La protection contre la perte de phase ne peut pas être désactivée et doit être réinitialisée manuellement.

Déséquilibres de phases

Les déséquilibres de phases provoquent la surchauffe d'un moteur asynchrone. Les causes fréquentes incluent les suivantes :

• Longue ligne d'alimentation principale
• Contact défectueux sur le commutateur d'arrivée
• Réseau déséquilibré

Lorsque le rapport de déséquilibre dépasse 40 %, le relais de surcharge se déclenche en 5 ±1 secondes. La protection contre les déséquilibres de phases doit être réinitialisée manuellement.

Défauts à la terre

La protection contre les défauts à la terre est utilisée pour protéger les moteurs asynchrones triphasés. Un défaut à la terre se produit lorsque l'isolation du circuit de charge devient inefficace en raison de vibrations, d'humidité ou d'autres facteurs. Le relais de surcharge surveille le courant à la terre (Ig). Lorsque la valeur Ig dépasse plus de 10 % d'Ir, le relais se déclenche en 1 ±0,2 seconde. La protection contre les défauts à la terre doit être réinitialisée manuellement.

Modularité

La conception modulaire des contacteurs TeSys Giga peut s'avérer particulièrement utile en cas d'usure excessive des contacts ou si une surcharge ou d'autres conditions de fonctionnement anormales endommagent le contrôleur. Les modules de commande peuvent également être remplacés pour s'adapter à différentes tensions de bobine, et le module de commutation peut être retiré pour remplacer les pôles usés.

Une fonction de mémoire de câble peut être implémentée avec un kit en option pour faciliter la maintenance rapide. Une fois installé, le module de commande ou de commutation peut être remplacé rapidement sans retirer les câbles.

Marche arrière

Des contacteurs inverseurs sont utilisés pour changer le sens de rotation des moteurs CA dans les applications telles que les convoyeurs, les ascenseurs et les chaînes de conditionnement. Ils fonctionnent en inversant la polarité des connexions, entraînant la rotation du moteur dans le sens opposé.

Un contacteur inverseur peut être réalisé à l'aide de deux contacteurs standard verrouillés mécaniquement. Le verrouillage empêche les contacteurs de s'activer simultanément (Figure 4).

Figure 4 : Deux contacteurs TeSys Giga verrouillés pour former un contacteur inverseur pour moteurs CA. (Source de l'image : Schneider Electric)

Par exemple, les composants suivants peuvent être utilisés pour créer un contacteur inverseur répertorié pour 200 HP à 460 V avec une bobine de 100-250 V CA/CC :

• LC1G265KUEN, contrôleur moteur TeSys Giga, deux requis
• DZ2FJ6, kit de cosses de contacteur
• LA9G3612, répartiteurs
• LA9G3761, barres d'inversion
• LA9G970, verrouillage mécanique

Résumé

Les relais de surcharge et les contacteurs TeSys Giga sont des dispositifs hautement polyvalents qui peuvent maximiser la résilience et la disponibilité dans de nombreuses applications. Les contacteurs ont des valeurs nominales de 115 A à 900 A dans des configurations 3P et 4P. Ils ont des SCCR jusqu'à 100 kA 480 V et leur conception modulaire accélère la maintenance.

Les relais de surcharge programmables présentent de larges plages de courants de fonctionnement, permettant à un petit nombre de dispositifs de satisfaire aux besoins de nombreuses applications. Enfin, le contrôle de mouvement bidirectionnel peut être réalisé en connectant deux contacteurs TeSys Giga avec un système de verrouillage mécanique.