Comment protéger les dispositifs industriels contre les pointes de courant à la mise sous tension

Lorsqu'un dispositif industriel est mis sous tension, il consomme souvent un pic de courant (appelé courant d'appel) bien supérieur à son niveau de fonctionnement normal. Selon le type de dispositif, ce pic à la mise sous tension peut être de l'ordre de 10 à 30 fois le courant en régime permanent. Ces courants d'appel extrêmes sont momentanés mais peuvent causer des contraintes électriques et mécaniques importantes.

Sans contrôle approprié, les courants d'appel peuvent déclencher des disjoncteurs, faire sauter des fusibles, endommager des composants sensibles et même dégrader les alimentations et les connecteurs d'alimentation. Par conséquent, une stratégie efficace de gestion des courants d'appel est cruciale pour le fonctionnement fiable et sûr des systèmes industriels.

L'un des moyens de gérer les surtensions à la mise sous tension consiste à ajouter des limiteurs de courant d'appel (ICL) en série avec l'entrée d'alimentation du dispositif. Parmi les différents types d'ICL, les thermistances à coefficient de température négatif (CTN) sont largement utilisées en raison de leur conception simple et de leur facilité d'intégration. Une thermistance CTN est une résistance sensible à la température dont la résistance diminue lorsque la température augmente.

Figure 1 : Thermistance CTN ERT-J0EG103FA de Panasonic Electronic Components avec une résistance nominale de 10 kΩ à 25°C et une tolérance de résistance de ±1 %. (Source de l'image : Panasonic Electronic Components)

Lorsque le dispositif électrique industriel est hors tension, l'élément CTN présente une résistance relativement élevée. Il est placé en série avec la charge. La résistance à froid élevée ralentit la pointe de courant initiale à la mise sous tension, agissant comme un amortisseur.

Le courant d'appel limité qui circule dans la thermistance provoque son auto-échauffement par dissipation de puissance résistive. Lorsque la thermistance chauffe, sa résistance chute considérablement pour atteindre une fraction infime de sa valeur à froid. En quelques instants, la thermistance passe à un état de faible résistance. À ce stade, les condensateurs d'entrée sont chargés et le courant de fonctionnement normal peut circuler.

Une fois l'appel de courant atténué, la thermistance CTN se désengage effectivement, agissant presque comme un court-circuit pendant le fonctionnement normal. Par exemple, une thermistance CTN avec une résistance à froid de 10 Ω peut chuter à moins de 0,5 Ω lorsqu'elle est entièrement chauffée. Cela garantit que la machine industrielle fonctionne presque à pleine tension en régime permanent tout en minimisant les pertes d'énergie dans la thermistance.

Considérations de conception lors de la mise en œuvre de limiteurs CTN

Pour garantir un fonctionnement fiable et efficace, plusieurs paramètres de conception doivent être pris en compte lors de la mise en œuvre de limiteurs de courant d'appel basés CTN.

1. Résistance à froid

La résistance à froid (R₂₅) est la résistance nominale à 25°C et détermine l'impédance initiale qui limite le courant d'appel. La résistance minimum requise peut être estimée à partir du courant d'appel maximum souhaité et de la tension d'alimentation. Les ingénieurs calculent cette résistance à l'aide de la loi d'Ohm : R = V_peak/I_{max (inrush)}. Par exemple, dans un système monophasé de 230 VCA (environ 325 V_peak), si le courant d'appel doit être limité à 20 A_peak, une résistance à froid de l'ordre de 325/20 ≈ 16 Ω est requise.

Des fabricants tels que TDK Electronics, Vishay Ametherm et Amphenol Advanced Sensors proposent des valeurs CTN standard telles que 2 Ω, 5 Ω, 10 Ω, 22 Ω, 47 Ω, etc., à 25°C. Le choix de la résistance à froid appropriée est crucial, car une valeur R₂₅ plus élevée permet une meilleure suppression des surtensions. Cependant, une valeur trop élevée peut restreindre excessivement les courants de charge, augmenter le temps de démarrage et entraîner une chute de tension initiale excessive.

Figure 2 : Thermistance CTN à sorties B57164K0220K000 d'EPCOS – TDK Electronics avec une résistance de 22 Ω à 25°C et une tolérance de résistance de ±10 %. (Source de l'image : EPCOS - TDK Electronics)

2. Résistance de fonctionnement

La résistance de fonctionnement (à chaud) représente l'impédance série résiduelle et la dissipation continue. Dans la pratique, la résistance à chaud ne représente qu'une petite fraction de R₂₅, typiquement de 2 à 5 % de la résistance à froid au courant nominal. Par exemple, une thermistance CTN avec une résistance à froid de 10 Ω peut chuter à environ 0,3 Ω à son courant nominal.

Une résistance à chaud plus faible est souhaitable pour le rendement, mais pour y parvenir, il faut une thermistance plus grande. Les concepteurs doivent s'assurer que, au courant de régime permanent de l'application, la thermistance CTN chauffe suffisamment pour réduire sa résistance à un niveau acceptable. Si le composant est surdimensionné, son auto-échauffement risque d'être insuffisant, entraînant une résistance plus élevée que prévu.

Pour des performances optimales, le courant de fonctionnement normal doit être d'au moins 30 % de la valeur nominale maximum de la thermistance CTN afin qu'elle fonctionne à une température suffisamment élevée pour atteindre la partie plate de sa courbe R-I. Si le courant de charge est très faible par rapport à la capacité de la thermistance CTN, l'ingénieur doit envisager d'utiliser une thermistance à plus faible courant, de sorte qu'elle chute à une résistance plus faible lorsqu'elle est chauffée par ce courant.

3. Courant continu maximum

La thermistance CTN doit être capable de supporter son courant continu ou efficace nominal en régime permanent sans surchauffe. La thermistance CTN doit être choisie de sorte que la valeur Imax soit égale ou supérieure au courant de fonctionnement normal du système. Si le courant en régime permanent dépasse le courant continu nominal admissible de la thermistance CTN, la thermistance surchauffe au-delà de ses limites de conception, avec un risque d'emballement thermique ou de détérioration du dispositif.

Il est important d'examiner la courbe de détarage du dispositif pour déterminer si l'application risque de chauffer dans un boîtier ou à proximité de sources de chaleur. Si le courant de conception est proche de la valeur I_max, il est crucial d'utiliser une marge de sécurité ou un mécanisme de refroidissement autour de la thermistance.

4. Tenue aux pointes d'énergie

L'énergie nominale de la thermistance est un paramètre critique. Elle doit résister sans dommage à l'énergie en joules (J) de l'appel de courant. Pour une entrée capacitive, une estimation de premier ordre de l'énergie de surtension est l'énergie nécessaire pour charger le condensateur. Par exemple, la charge d'un condensateur de 100 μF à 325 V requiert environ 5,3 J. La thermistance sélectionnée doit avoir une énergie nominale d'appel supérieure à ce niveau, en tenant compte du scénario le plus défavorable.

De même, pour les charges de moteur ou de transformateur, le concepteur peut mesurer la forme d'onde de courant de pointe et calculer l'intégration (∫I²R dt) pour s'assurer que la valeur I²t dans la thermistance reste dans les limites de ses spécifications. Les fabricants fournissent une valeur I²t ou joule pour les surtensions ponctuelles et parfois une valeur de surtension répétitive si le dispositif est exposé à des cycles marche/arrêt fréquents.

Figure 3 : Thermistance CTN AL03006-535K-145-G1 d'Amphenol Advanced Sensors avec une résistance de 1 MΩ et fonctionnant jusqu'à 250°C avec stabilité. (Source de l'image : Amphenol Advanced Sensors)

Lorsqu'il est correctement sélectionné et mis en œuvre, un limiteur de courant d'appel basé sur une thermistance CTN offre une protection fiable contre les surtensions à la mise sous tension. Le dispositif fournit une résistance série transitoire qui s'autorégule hors du circuit une fois son fonctionnement terminé.

Conclusion

À mesure que les systèmes industriels se développent et intègrent des dispositifs énergivores, le contrôle des pointes d'énergie au démarrage devient critique. Les limiteurs de courant d'appel basés sur des thermistances CTN offrent un équilibre éprouvé entre conception, coût et fiabilité. Ils permettent aux concepteurs d'assurer une protection de démarrage progressif sans ajouter de complexité de commande, garantissant un fonctionnement industriel sûr et efficace.