Principes de base et utilisation des contacteurs moteurs

Les applications telles que le chauffage, la ventilation et la climatisation (CVC), les compresseurs, les pompes, la manutention et le conditionnement requièrent le déploiement et le contrôle sécurisés de gros moteurs fonctionnant à hautes tensions et forts courants. La commande de ces gros moteurs électriques pose un problème aux concepteurs dans la mesure où ils doivent fournir une isolation adéquate entre le moteur et le circuit de commande. De plus, les hautes tensions et les forts courants peuvent générer des transitoires électromagnétiques importants susceptibles d'endommager les commandes électroniques.

Les relais électromagnétiques offrent un contrôle à distance avec isolation mais ont leurs propres limites. L'ouverture et la fermeture des connexions électriques d'un moteur haute puissance génèrent des arcs électriques qui usent les surfaces de contact des relais, réduisant la durée de vie des contacts.

La solution à ce problème est un contacteur électromagnétique, une catégorie spéciale de relais destinée à la commande de moteur. Outre une construction renforcée et des contacts plus grands et plus robustes que les relais, ils utilisent des techniques de suppression d'arc qui incluent des matériaux spéciaux et une fermeture et une ouverture des contacts plus rapides.

Cet article examine les bases des contacteurs moteurs électromagnétiques et leurs avantages par rapport aux autres approches de commande de moteur. Il explique ensuite comment les sélectionner et les utiliser en s'appuyant sur des exemples de configuration concrets avec la gamme Easy TeSys de Schneider Electric.

Fonctionnement des contacteurs

Les contacteurs électromagnétiques sont constitués d'un électro-aimant construit sur un noyau « E ». Spécifiquement, une bobine électriquement isolée est enroulée de manière concentrique autour de la branche centrale du noyau. La bobine est excitée par la source de tension de commande, qui peut être CA ou CC. Lorsque la bobine est alimentée, la force électromagnétique attire une armature située à l'extrémité ouverte du noyau (Figure 1).

Figure 1 : Schéma fonctionnel simplifié d'un contacteur le montrant à la fois dans les états hors tension et sous tension. (Source de l'image : Art Pini)

Les contacts électriques sont couplés mécaniquement à l'armature. L'arrangement des contacts varie selon le modèle de contacteur : ils peuvent être normalement ouverts (NO) ou une combinaison de normalement ouverts et normalement fermés (NC). Il peut y avoir plusieurs contacts isolés. Par exemple, un contacteur triphasé aura trois jeux de contacts d'alimentation, un pour chaque phase. Lorsque l'armature est attirée, les contacts NC s'ouvrent et les contacts NO se ferment. De plus, de nombreux contacteurs incluent un jeu auxiliaire de contacts de plus basse puissance qui sont utilisés pour surveiller l'état du contacteur, sous tension ou hors tension.

Les matériaux de contact sont choisis pour leur haute résistance, leur excellente conductivité électrique et leur résistance aux effets d'arc et d'oxydation. La géométrie des contacts est conçue pour gérer les niveaux de puissance attendus et pour supprimer les arcs.

Tous les éléments du contacteur sont contenus dans un boîtier, qui isole électriquement les contacts tout en fournissant une méthode simple pour connecter l'alimentation, la charge et le câblage de la bobine. Le boîtier fournit également un support de montage, qui peut prendre la forme d'un montage sur panneau ou sur rail DIN (Figure 2).

Figure 2 : Exemples de boîtiers de contacteurs typiques ; montage sur panneau (à gauche) et montage sur rail DIN (à droite). (Source de l'image : Schneider Electric)

Les contacteurs Easy TeSys (série DPE) de Schneider Electric sont logés dans un boîtier compact de seulement 45 millimètres (mm) de large et peuvent être montés sur panneau ou sur rail DIN. Le boîtier a un indice de protection IP20, ce qui signifie qu'il offre une protection pour les doigts. Tous les contacteurs de la série incluent un contact auxiliaire normalement ouvert. Cette série de contacteurs triphasés est approuvée UL/CSA avec des valeurs nominales jusqu'à 32 ampères (A), 20 chevaux (HP) à 480 volts CA (VCA) et 25 HP/600 VCA, avec plusieurs tensions d'excitation de bobine de commande (Tableau 1).

Tableau 1 : Exemples sélectionnés de la série de contacteurs DPE Easy TeSys de Schneider Electric montrant la plage de sélections de courant de fonctionnement et de tension de bobine de commande que la ligne fournit. (Source du tableau : Art Pini)

Ces dispositifs offrent une durée de vie de fonctionnement d'environ 1 million d'opérations électriques. Les contacteurs Easy TeSys conviennent aux applications décrites dans les catégories d'utilisation spécifiées dans la norme CEI 60947. Les intensités nominales des contacteurs individuels dépendent de la catégorie d'utilisation. Par exemple, la catégorie AC-1 décrit les applications où la charge est non inductive ou seulement légèrement inductive, comme un four à résistance. Ces applications ont principalement des charges résistives, qui ont moins de problèmes avec les tensions et courants transitoires.

La catégorie AC-3 couvre les applications pour les moteurs à induction à cage où le moteur est démarré et où l'alimentation peut être coupée pour arrêter le moteur à certains moments. Les moteurs sont des dispositifs inductifs et les opérations de démarrage et d'arrêt entraînent des transitoires inductifs qui sollicitent davantage le contacteur.

Les applications de la catégorie AC-4 sollicitent davantage le contacteur. Cette catégorie couvre les moteurs à induction à cage et les moteurs asynchrones à bagues sujets au freinage par courant inverse et au mouvement par impulsions ou la marche par à-coups. Le mouvement par impulsions ou la marche par à-coups est « l'application rapide et répétée de puissance pour démarrer un moteur à partir de l'arrêt dans le but d'accomplir de petits mouvements du moteur ». Le mouvement par impulsions fait généralement référence au démarrage d'un moteur avec de courtes impulsions de puissance à pleine tension. De manière similaire, la marche par à-coups signifie le démarrage d'un moteur avec de courtes impulsions de tension réduite. Les multiples applications de puissance génèrent le niveau de contrainte le plus élevé sur le contacteur.

L'association d'un contacteur DPE Easy TeSys spécifique à un moteur ou à une application haute puissance similaire repose principalement sur le courant géré. Le catalogue Easy TeSys de Schneider Electric contient des aides à la sélection en fonction de la puissance du moteur, de la catégorie d'utilisation et de la durée de vie opérationnelle requise (Figure 3).

Figure 3 : Guide de sélection DPE Easy TeSys pour les moteurs de la catégorie d'utilisation AC-3 en fonction de la puissance du moteur et de la durée de vie opérationnelle souhaitée du contacteur. (Source de l'image : Schneider Electric)

La Figure 3 est l'un des trois guides de sélection liés à la catégorie d'utilisation du dispositif contrôlé. Le guide est prévu pour la catégorie d'utilisation AC-3, c'est-à-dire pour un moteur qui peut être arrêté de manière peu fréquente. Lorsque le moteur est arrêté, le courant est égal au courant de fonctionnement. Prenons l'exemple de la recherche d'un contacteur DPE Easy TeSys pour un moteur triphasé de 5,5 kilowatts (kW) fonctionnant à 400 V avec un courant opérationnel de 11 A et dont la durée de vie opérationnelle souhaitée est de 2 millions de cycles. En partant de la ligne de tension de 400 V, le concepteur doit localiser 5,5 kW et, à partir de là, projeter une ligne vers le haut jusqu'à intersection avec la ligne de 2 millions d'opérations. Le modèle DPE le plus proche (en bleu) est le DPE 18.

Un exemple de catégorie d'utilisation AC-4, où le moteur est arrêté et redémarré fréquemment, gère des courants plus importants dans le cas le plus défavorable. Considérez un moteur triphasé de 5,5 kW fonctionnant à 400 V avec un courant de fonctionnement de 11 A dans une application AC-4 où il est mis hors tension pendant que le moteur a calé. La durée de vie souhaitée est de 300 000 opérations.

Le courant de calage de ce moteur est six fois supérieur au courant de fonctionnement, ce qui nécessite un contacteur répertorié pour un niveau de courant plus élevé (Figure 4).

Figure 4 : Guide de sélection DPE Easy TeSys pour la catégorie d'utilisation AC-4. Notez que les courants les plus défavorables peuvent être beaucoup plus importants en raison de la possibilité que le moteur soit privé d'alimentation pendant le calage. (Source de l'image : Schneider Electric)

Pour trouver le contacteur recommandé, partez du courant de calage de 66 A, soit six fois le courant opérationnel de 11 A. Faites une projection vers le haut à partir de l'axe de courant jusqu'à intersection avec la ligne représentant 0,3 million d'opérations. Le produit le plus proche est le DPE32.

Les contacteurs de la série DPE Easy TeSys couvrent les configurations et les applications de moteur les plus courantes, telles que les convoyeurs, les machines de conditionnement, les pompes, les compresseurs, le chauffage et la ventilation, la climatisation, la réfrigération, et plus.

La gamme Easy TeSys inclut également une série de relais de surcharges thermiques complémentaires, conçus pour protéger les circuits CA et les moteurs contre les surcharges, les défaillances de phase, les temps de démarrage prolongés et les rotors bloqués. Ces relais surveillent le courant du moteur et, lorsque le courant dépasse le réglage de limite de courant, les contacts s'ouvrent et arrêtent le moteur. Il existe quinze modèles différents, et chacun a une plage de niveaux de déclenchement de courant réglables. Les modèles de protection contre les surcharges sont compatibles avec une sélection de contacteurs Easy TeSys DPE09 à DPE38. Ils se connectent directement aux bornes inférieures des contacteurs triphasés à l'aide des bornes à vis du contacteur. La combinaison a une largeur commune de 45 mm et peut être montée sur rail DIN ou vissée sur un panneau à l'aide du support de contacteur DPE (Figure 5).

Figure 5 : Le relais de protection contre les surcharges se monte directement sous le contacteur DPE et est fixé à l'aide des connexions à vis du contacteur. (Source de l'image : Schneider Electric)

Le relais de surcharge thermique Easy TeSys DPER32, répertorié à 32 A/690 V, a une plage de déclenchement thermique ajustable de 23-32 A, classe de déclenchement 10 (avec une surcharge de six fois le niveau prédéfini, le protecteur de surcharge se déclenchera dans les 10 secondes), pour la protection de moteurs triphasés répertoriés à 15 kW à 400 V. Il s'agit d'un dispositif différentiel avec détection de déséquilibre de charge et défaillance de phase. Il dispose d'un cadran de réglage thermique, d'un sélecteur de réarmement manuel/automatique, d'un sélecteur de test pour la simulation d'un déclenchement, de boutons de réarmement et d'arrêt, d'un indicateur et de deux contacts auxiliaires (1 NO + 1 NC) pour la signalisation de défaut. Les réglages de l'utilisateur sont protégés par un capot transparent verrouillable. Toute la gamme de protecteurs contre les surcharges thermiques est certifiée selon plusieurs normes, notamment CEI, UL et CUL.

Conclusion

Les concepteurs d'applications de moteur avec des courants et des tensions de fonctionnement élevés ont besoin d'un moyen fiable d'isoler les circuits de commande associés et de les protéger contre les rayonnements électromagnétiques. Les contacteurs DPE tripolaires Easy TeSys, associés aux relais de surcharges thermiques DPER Easy TeSys, sont conçus pour commuter et protéger les cas d'utilisation de moteur les plus courants. La vaste sélection de modèles couvrant plusieurs niveaux de courant et de tension permet de les configurer facilement pour répondre aux exigences d'une application spécifique.