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Chapitre V : pré -actionneurs électriques

1 Cours Actionneurs ‘LAT62’ 3eme Automatique F.Z.Kebbab

2019-2020

V.1 Introduction

Tout moteur électrique a des limites de fonctionnement. Dépasser ces limites conduit, à plus ou

moins long terme, à sa destruction mais aussi à celle des mécanismes qu’il anime, avec pour

conséquence immédiate des arrêts et des pertes d’exploitation. Ce type de récepteur, qui

transforme une énergie électrique en énergie mécanique, peut être le siège d’incidents d’origine

électrique ou mécanique.

Electrique

Surtension, chute de tension, déséquilibre, perte de phases qui provoquent des variations sur le

courant absorbé, courts-circuits dont le courant peut atteindredes niveaux destructeurs pour le

récepteur.

Mécanique

Calage du rotor, surcharge momentanée ou prolongée qui entraînent une augmentation du

courant absorbé par le moteur, d’où un échauffement dangereux pour ses bobinages. Pour

s’affranchir de ces incidents ou du moins limiter leurs conséquences et éviter qu’ils n’entraînent la

détérioration du matériel ainsi que des perturbations sur le réseau d’alimentation, l’utilisation de

protections est nécessaire. Elles permettent d’isoler du réseau le matériel à protéger, en actionnant

un organe de coupure par détection et mesure des variations de grandeurs électriques (tension,

courant, etc.)

Chaque départ-moteur doit donc comporter :

une protection contre les courts-circuits,pour détecter et couper le plus rapidement

possible des courants anormaux généralement supérieurs à 10 fois le courant nominal (In)

une protection contre les surcharges, pour détecter des augmentations du courant jusqu’à

environ 10 In et couper le départ avant que l’échauffement du moteur et des conducteurs

n’entraîne la détérioration des isolants.

Ces protections sont assurées par des appareils spécifiques tels que des fusibles, disjoncteurs,

relais de surcharge .



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V.2 Le disjoncteur

V.2.1 Rôle

Un disjoncteur est un organe électromécanique, de protection, dont la fonction est d'interrompre

le courant électrique en cas d'incident sur un circuit électrique. IL comporte deux relais, relais

magnétique qui protège contre les courts-circuits et un relais thermique qui protège contre les

surcharges.

Il existe plusieurs types de disjoncteurs.

V.2.2 Disjoncteur thermique

Il protège un circuit électrique contre les surcharges de courant (surtension dans un

réseau électrique) ou un fort appel de courant lors d’un démarrage d'un moteur.

Le déclenchement se fait à 𝐼𝑟 = 7𝐼𝑛 pour un temps compris entre 2𝑠 ≤ 𝑡 ≤ 10𝑠

Figure V.1: Disjoncteur thermique triphasé

V.2.3 Disjoncteur magnétique

Il protège un circuit électrique contre les courts-circuits (short circuit). Il existe plusieurs types de disjoncteur magnétique.



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Figure V.2: Disjoncteur magnétique triphasé 3 pôles

V.2.3.1 Principe de fonctionnement d’un relais magnétique:

Le dispositif de protection contre les courts-circuits fonctionne à la base d’un

électro-aimant.

En fonctionnement normal:

Le courant absorbé par le moteur circulant dans la bobine du circuit magnétique est

insuffisant pour que le champ magnétique qu’il crée attire le levier. Le circuit

électrique est fermé.

Figure V.3: Fonctionnement normal du déclencheur magnétique



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En cas d’un court-circuit:

Lors d’une présence d’un court-circuit, le courant augmente très brutalement et

sous cet effet la bobine va attirer le levier et ouvrir le disjoncteur durant un temps (

t=10÷20ms ).

Une fois le défaut éliminé, on peut réarmer le disjoncteur pour remettre

l’installation en, service.

Figure V.5 : Fonctionnement du déclencheur en présence d’un court-circuit

V.2.4 Disjoncteur magnétothermique

Il est équipé de deux déclencheurs (thermique et magnétique) et permettant de

protéger un circuit électrique contre les courts-circuits et les surcharges de courant.

Figure V.6 : Disjoncteur magnétothermique triphasé



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V.3 Le disjoncteur moteur

Le « disjoncteur moteur » est un disjoncteur magnétothermique qui réalise à la fois la

protection contre les courts-circuits et contre les surcharges par ouverture rapide du circuit en

défaut. Il est la combinaison du disjoncteur magnétique ( protection contre les courts-circuits) et

du relais de surcharge (protection contre les surcharges).

Dans ces disjoncteurs, les dispositifs magnétiques (protection contre les courts-circuits) ont un

seuil de déclenchement non réglable, en général d’environ 10 fois le courant de réglage maximal

des déclencheurs thermiques. Leurs éléments thermiques (protection contre les surcharges) sont

compensés contre les variations de la température ambiante.

V.4 Les contacteurs

V.4.1 Rôle

Appareil électromagnétique de connexion ayant une seule position de repos, commandé

électriquement et capable d'établir ou d'interrompre le passage de l'énergie électrique..

C’est essentiellement un appareil de commande et de contrôle capable d’effectuer un grand

nombre de manoeuvres sous des courants de charges normaux. . Il assure la fonction

commutation(ouverture/fermeture d’un circuit en charge commandée à distance).

Les contacteurs les plus usuels sont actionnés à l’aide d’un électroaimant alimenté par une

tension auxiliaire dite « tension de commande »

Dans leur usage le plus courant, les contacteurs ont pour :

fonction de commander la marche ou l’arrêt d’un moteur ,

assurer un mode de démarrage ou de freinage

les contacteurs sont souvent associés à des relais de protection des moteurs contre les surcharges



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V.4.2 Symbole

Figure V.7 : symbole du contacteur

V.4.3 Principe de fonctionnement

Le contacteur électromagnétique est un appareil mécanique de connexion

commandé par un électro-aimant.

Lorsque la bobine de l’électro-aimant est alimentée, la partie mobile se déplace

vers la partie fixe, l’armature mobile de l’électroaimant colle à l’armature fixe

.entre ces deux événements, un ressort est écrasé , exerçant une pression aux

contact .cette pression est d’ailleurs nommée ‘ pression de contact ‘, notion

importante dans la conception du contacteur .c’est elle qui garantit la qualité de la

conductivité des contacts .

Dès que la bobine est mise hors tension, la partie mobile reprend sa place sous

l’effet du ressort de rappel, les contacts reprennent leur position initiale.



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Figure V.8: Principe de fonctionnement d'un contacteur

Le circuit permettant d'alimenter la bobine est appelé circuit de commande. La tension de ce

circuit n'est pas forcément de 230 V : il est possible de trouver des bobines en 12 V et 24 V. Le

circuit où s'établit le contact est appelé circuit de puissance car il permet de faire passer des

intensités plus grandes que dans le circuit de commande dont il est électriquement indépendant.

Remarque :



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Le contacteur, appelé aussi relais quand il gère de faibles intensités, trouve de nombreuses

applications dans tous les automatismes (portes de garages automatiques, ascenceurs, etc.).Il

permet la commande à distance d'appareils.

V.4.4 Critères et choix d’un contacteur

Le choix d'un contacteur est fonction de la nature et de la valeur de la tension du

réseau, de la puissance installée, des caractéristiques de la charge, des exigences du

service désiré.

Catégories d’emploi :

Les catégories d’emploi normalisées fixent les valeurs du courant que le contacteur

doit établir et couper.

Elles dépendent :

- De la nature du récepteur

- Des conditions dans lesquelles s’effectuent la fermeture et l’ouverture des

pôles de puissance du contacteur.

Tableau V.1 :Catégorie et fonctionnement

Catégorie Récepteur Fonctionnement

~

AC1 Four à résistance Charges non inductives ou peu inductives

AC2 Moteur à bagues Démarrage, inversion de marche

AC3 Moteur à cage Démarrage, coupure du moteur lancé

AC4 Moteur à cage

Démarrage, inversion de marche, marché par à-

coups

=

DC1 Résistance Charges non inductives

DC2 Moteur shunt Démarrage, coupure du moteur lancé

DC3 Démarrage, inversion, à-coups

DC4 Moteur série Démarrage, coupure du moteur lancé

DC5 Démarrage, inversion, à-coups



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Courant d’emploi Ie

Il est défini suivant la tension assignée d’emploi, la fréquence et le service assignés,

la catégorie d’emploi et la température de l’air au voisinage de l’appareil.

Tension d’emploi Ue

Valeur de tension qui, combinée avec un courant assigné d’emploi, détermine

l’emploi du contacteur. Pour les circuits triphasés, elle s'exprime par la tension entre

phases.

Pouvoir de coupure

C’est la valeur efficace du courant maximal que le contacteur peut couper, sans

usure exagérée des contacts, ni émission excessive de flammes. Le pouvoir de

coupure dépend de la tension du réseau. Plus cette tension est faible, plus le

pouvoir de coupure est grand.

Pouvoir de fermeture

C'est la valeur efficace du courant maximal que le contacteur peut établir, sans

soudure des contacts.

Endurance électrique (durée de vie)

C'est le nombre de manoeuvres maximal que peut effectuer le contacteur. Ce

nombre dépend du service désiré.

Facteur de marche

C'est le rapport entre la durée de passage du courant et la durée d'un cycle de

manoeuvre.

Puissance

Puissance du moteur normalisé pour lequel le contacteur est prévu à la tension

assignée d’emploi.

Tension de commande Uc

Valeur assignée de la tension de commande sur laquelle sont basées les

caractéristiques de fonctionnement de (12V à 400V) alternatif ou continu.



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V.5 Variateur de vitesse

Un variateur de vitesse est un dispositif électronique destiné à commander la vitesse

d'un moteur électrique.

Les variateurs de vitesse assurent une mise en vitesse et une décélération progressives, ils

permettent une adaptation précise de la vitesse aux conditions d’exploitation.

Les variateurs de vitesse sont du type redresseur contrôlé pour alimenter les moteurs à

courant continu, ceux destinés aux moteurs à courant alternatif sont des convertisseurs de

fréquence.

Historiquement, le variateur pour moteur à courant continu a été la première solution offerte. Les

progrès de l’électronique de puissance et de la microélectronique ont permis la réalisation de

convertisseurs de fréquence fiables et économiques. Les convertisseurs de fréquence modernes

permettent l’alimentation de moteurs asynchrones standard avec des performances analogues aux

meilleurs variateurs de vitesse à courant continu.

Remarque

Certains constructeurs proposent même des moteurs asynchrones avec des variateurs de

vitesse électroniques incorporés dans une boîte à bornes adaptée ; cette solution est proposée

pour des ensembles de puissance réduite (quelques kW).

V.5.1 les principales fonctions des variateurs de vitesse électroniques

Accélération contrôlée

Variation de vitesse

Régulation de vitesse

Décélération contrôlée

Inversion du sens de marche

Freinage d’arrêt

Protections intégrées

V.5.2 Les principaux modes de fonctionnement

Les variateurs de vitesse peuvent, selon le convertisseur électronique, soit faire fonctionner

http://for-ge.blogspot.com/2015/04/variateur-de-vitesse_9.html



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un moteur dans un seul sens de rotation, ils sont alors dits « unidirectionnels », soit commander

les deux sens de rotation, ils sont alors dits « bidirectionnels ». Les variateurs peuvent être «

réversibles » lorsqu’ils peuvent récupérer l’énergie du moteur fonctionnant en générateur (mode

freinage).

La réversibilité est obtenue soit par un renvoi d’énergie sur le réseau (pont d’entrée réversible),

soit en dissipant l’énergie récupérée dans une résistance avec un hacheur de freinage.

La figure V.9 illustre les quatre situations possibles dans le diagramme couple-vitesse

.

Figure. V.9 : les quatre situations possibles d’une machine dans son diagramme couple-

vitesse.

a) Variateur unidirectionnel

Ce type de variateur le plus souvent non réversible est réalisé pour :

un moteur CC, avec un convertisseur direct (CA => CC) comportant un pont mixte à

diodes et thyristors (cf. fig. V.10a page suivante),



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un moteur AC, avec un convertisseur indirect (avec transformation intermédiaire en CC)

comportant en entrée un pont de diodes suivi d’un convertisseur de fréquence qui fait

fonctionner la machine dans le quadrant 1. fig. V.10b

b) Variateur bidirectionnel

Ce type de variateur peut être un convertisseur réversible ou non réversible.

S’il est réversible, la machine fonctionne dans les quatre quadrants et peut permettre un

freinage important.

S’il est non réversible, la machine ne fonctionne que dans les quadrants 1 et 3.

Figure .V.10 : schémas de principe : [a] convertisseur direct à pont mixte ; [b] convertisseur indirect avec (1) pont de

diodes en entrée, (2) dispositif de freinage (résistance et hacheur), (3) convertisseur de

fréquence.

V.5.3 Les principaux types de variateurs

Il existe de nombreux schémas de variateurs de vitesse électronique

Redresseur contrôlé pour moteur à courant continu

Il fournit, à partir d’un réseau alternatif monophasé ou triphasé, un courant continu avec

un contrôle de la valeur moyenne de la tension.

Les semi-conducteurs de puissance sont assemblés en pont de Graëtz, monophasé ou

triphasé (cf. fig V.11. ). Le pont peut être mixte (diodes / thyristors) ou complet (tout thyristor).

Cette dernière solution est la plus fréquente car elle permet un meilleur facteur de forme du

courant délivré.



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Fig. V.11 : schéma d’un redresseur contrôlé pour moteur à courant continu

L’utilisation de ce type de variateur de vitesse est bien adaptée pour toute application. Les seules

limites sont imposées par le moteur à courant continu, en particulier la difficulté d’obtention de

vitesses élevées et la nécessité de maintenance (remplacement des balais). Les moteurs à courant

continu et leur variateurs associés ont été les premières solutions industrielles. Depuis plus d’une

décennie, leur usage est en constante diminution au profit des convertisseurs de fréquence. En

effet, le moteur asynchrone est à la fois plus robuste et plus économique qu ’un moteur à courant

continu. Contrairement aux moteurs à courant continu, standardisés en enveloppe IP55, il est

aussi pratiquement insensible à l’environnement (ruissellement, poussières, ambiances

dangereuses…).

Convertisseur de fréquence pour moteur asynchrone

Il fournit, à partir d’un réseau alternatif à fréquence fixe, une tension alternative triphasée

de valeur efficace et de fréquence variable (cf. fig. V.12 ). L’alimentation du variateur pourra être

monophasée pour les faibles puissances (ordre de grandeur de quelques kW) et triphasée au-delà.

Certains variateurs de petite puissance acceptent indifféremment des tensions d’alimentation

mono et triphasées. La tension de sortie du variateur est toujours triphasée. De fait, les moteurs

asynchrones monophasés sont mal adaptés à l’alimentation par convertisseur de fréquence. Les

convertisseurs de fréquence alimentent des moteurs à cage standard avec tous les avantages liés à

ces moteurs : standardisation, faible coût, robustesse, étanchéité, aucun entretien. Ces moteurs

étant auto-ventilés, leur seule limite d’emploi est leur utilisation prolongée à basse vitesse en

raison de la réduction de cette ventilation. Si un tel fonctionnement est souhaité, il faut prévoir

un moteur spécial équipé d’une ventilation forcée indépendante.



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Fig. V.12 : schéma de principe d’un convertisseur de fréquence.

V.5.4 Structure et composants des variateurs électroniques

les variateurs de vitesse électroniques sont composés de deux modules généralement regroupés

dans une même enveloppe (cf. fig. V.12 ) :

o un module de contrôle qui gère le fonctionnement de l’appareil,

o un module de puissance qui alimente le moteur en énergie électrique

Figure. V.12 : structure générale d’un variateur de vitesse électronique.



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Le module de contrôle

Sur les variateurs modernes, toutes les fonctions sont commandées par un microprocesseur qui

exploite les réglages, les ordres transmis par un opérateur ou par une unité de traitement, et les

résultats de mesures comme la vitesse, le courant, etc.

Les capacités de calcul des microprocesseurs ainsi que des circuits dédiés (ASIC) ont permis

de réaliser des algorithmes de commandes extrêmement performants et, en particulier, la

reconnaissance des paramètres de la machine entraînée. A partir de ces informations, le

microprocesseur gère les rampes d’accélération et de décélération, l’asservissement de vitesse, la

limitation de courant, et génère la commande des composants de puissance. Les protections et les

sécurités sont traitées par des circuits spécialisés (ASIC) ou intégrés dans les modules de

puissance (IPM).

Les réglages (limites de vitesse, rampes, limitation de courant…) se font soit par claviers

intégrés, soit à partir d’automates par des bus de terrain ou de PC pour charger des réglages

standard. De même, les différents ordres (marche, arrêt, freinage…) peuvent être donnés

à partir d’interfaces de dialogue homme / machine, par des automates programmables ou

par des PC.

Le module de puissance

Le module de puissance est principalement constitué de :

o composants de puissance (diodes, thyristors, IGBT…)

o interfaces de mesure des tensions et/ou des courants,

o fréquemment d’un ensemble de ventilation.

Composants

Les composants de puissance (cf. fig. V.13 ) sont des semi-conducteurs fonctionnant en tout ou

rien, donc comparables à des interrupteurs statiques pouvant prendre les deux états :

passant ou bloqué. Ces composants, associés dans un module de puissance, constituent un

convertisseur qui alimente, à partir du réseau à tension et fréquence fixes, un moteur électrique

sous une tension et / ou une fréquence variable. Les composants de puissance sont la clef de

voûte de la variation de vitesse et les progrès réalisés ces dernières années ont permis la

réalisation de variateurs de vitesse économiques.



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Figure . V.13 : les composants de puissance.

V.5.5 choix d’un variateur de vitesse

Le choix d’un variateur de vitesse étant intimement lié à :

o la nature de la charge entraînée

o et aux performances visées,

toute définition et recherche d’un variateur de vitesse doivent passer par une analyse des

exigences fonctionnelles de l’équipement puis des performances requises pour le moteur lui -

même.

Un choix incorrect de variateur peut conduire à un fonctionnement décevant. De même,

il faut tenir compte de

la gamme de vitesse souhaitée pour choisir convenablement l’association moteur /

variateur.



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Exemple d'un variateur pour MAS: Altivar 31 de Schneider

Le variateur Altivar 31 est un convertisseur de fréquence pour moteurs asynchrones

triphasés à cage. L’Altivar 31 est robuste, peu encombrant, facile à mettre en oeuvre.

Il est conforme aux normes EN 50178, IEC/EN 61800-2, IEC/EN 61800-3, aux

certifications UL, CSA et aux Directives Européennes

Les variateurs sont proposés pour les puissances moteur comprises entre 0,18 kW et 15 kW, avec

quatre types d’alimentation :

200 V à 240 V monophasée, de 0,18 kW à 2,2 kW,

200 V à 240 V triphasée, de 0,18 kW à 15 kW,

380 V à 500 V triphasée, de 0,37 kW à 15 kW,

525 V à 600 V triphasée, de 0,75 kW à 15 kW.

Figure V.14 : variateur Altivar 31

V.1 IntroductionV.2 Le disjoncteurV.5 Variateur de vitesse

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