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Etude des systèmes techniques

Lycée polyvalent Jean Monnet E.S.T S.T.I GE Page 9/32

1. Appareil de raccordement : Le sectionneur

1.1 Rôle

Le sectionneur est un appareil de connexion capable d’isoler ( séparer électriquement ), la partie del’installation aval de la source de tension. On doit toujours ouvrir un sectionneur à vide.

1.2 Symbole

1.3 Particularités

a) Position fermée

* Il doit assurer le passage du courant nominal sans échauffement ni chute de tension.* Il doit également supporter une sur intensité de court circuit pendant le temps nécessaire à

l’élimination du défaut sans se détériorer.

==> Qualité et dimensionnement des contacts / résistance aux efforts électrodynamiques.

b) position ouverte

La distance entre les contacts mobiles et les contacts fixes doit assurer l’isolation de l’installation,c’est à dire que le gradient de potentiel obtenu doit être très inférieur à la valeur de rigiditédiélectrique de l’isolant utilisé.

c) Sécurité

* La coupure doit être visible, soit directement par l’observation des contacts soit indirectementpar un indicateur de position.

* Pour éviter les erreurs de manoeuvre par un personnel non habilité, le sectionneur comportesouvent un dispositif de verrouillage en position ouverte.

* Les contacts doivent être isolés par rapport à la masse, d’où l’emploi d’isolateursdimensionnés proportionnellement à la tension .

* Le dispositif de commande doit être isolé par rapport aux pièces sous tension.* L’appareil ne doit pas pouvoir se refermer de lui même.

Appareillage de raccordement et

de commande



d) conditions mécaniques

* Appareil robuste et résistant ( chocs / intempéries ) de conception simple avec un entretientminimum. Les appareils d’extérieurs doivent pouvoir être manoeuvré même dans des conditionsclimatiques extrêmes ( neige, glace ... ).

1.4 Le sectionneur B.T domestique

La fonction sectionneur obligatoire au départ de chaque circuit est réalisée par un sectionneur à

fusibles incorporés.

1.5 Le sectionneur B.T industriel ( < 1000 V )

En utilisation industrielle, le sectionneur peut faire office de porte fusible. Il possède d’une manièregénérale:

- Une poignée vérrouillable en position ouverte.

- 3 à 4 pôles principaux.

- 1 à 2 contacts auxiliaires.

Les contacts auxiliaires ( contact de prés coupure sont utilisés pour couper le circuit de commandeavant l’ouverture du circuit de puissance assurant ainsi une ouverture à vide des contacts principaux.



1.6 Le sectionneur disjoncteur.

Dans les applications courantes on peut utiliser des sectionneurs disjoncteursdu type (optimal 25 Télémécanique ) qui assurent la protection contre lescourts-circuits des moteurs, des contacteurs et des relais thermiques associésavec la fonction disjoncteur.

1.7 Le sectionneur M.T et H.T

Pour des tensions entre 3.2 KV et 60 KV les sectionneurssont utilisés pour permettre des coupures visibles et unisolement des installations.

1.8 Dénomination d’un sectionneur

Il est nécessaire de préciser :

- Le nombre de pôles.

- La valeur de la tension.

- L’intensité nominale.

- Le nombre de contacts auxiliaires.

- La nature de la commande.

- Le système de fixation.



2. Appareillage de commande l’interrupteur

2.1 Fonction

L’interrupteur est un appareil destiné à ouvrir et à fermer un circuit électrique en charge.Il possède un pouvoir de coupure ( dispositif d’extinction de l’arc ), permettant de couper l’inten-

sité nominale sous la tension nominale, mais également un pouvoir de fermeture qui permet la ferme-ture en charge.

2.2 Symbole

2.3 Particularités

a) Position fermée:

* L’interrupteur doit assurer le passage du courant nominal sans échauffement ni chute de tension* Il doit également supporter une sur intensité de court circuit pendant le temps nécessaire à l’élimi-

nation du défaut sans se détériorer.

==> qualité et dimensionnent des contacts / efforts électrodynamiques

b) L’ouverture

* Pour couper un circuit en charge les interrupteurs doivent posséder un dispositif de coupure del’arc électrique et dispositif d’ouverture brusque des contacts.

* Dans le cas d’interrupteurs triphasés la commande d’ouverture des trois pôles doit être simulta-née, dans le cas contraire il y a risque de déséquilibre au niveau de l’installation.

c) position d’ouverture

* En fin d’ouverture la distance entre les contacts mobiles et les contacts fixes doit éviter toutrisque d’amorçage.

d) La fermeture

* Les interrupteurs doivent établir le courant nominal sous la tension nominale d’où nécessité d’undispositif de fermeture rapide.

e) Sécurité

* Les contacts doivent être isolés par rapport à la masse d’où l’emploi d’isolateurs dimensionnésproportionnellement à la tension utilisée.

- Le dispositif de commande doit être isolé par rapport aux parties sous tension- L’appareil ne doit pas pouvoir se fermer de lui même



f) Conditions mécaniques

* Appareil robuste et résistant ( chocs / intempéries ) de conception simple avec un entretientminimum. Les appareils d’extérieurs doivent pouvoir être manoeuvré même dans des conditionsclimatiques extrêmes ( neige, glace ... ).

2.4 Interrupteur industriel en BT

Tension d’utilisation ( 250, 380, 500, 660 V)

2.5 Interrupteur HT

Appareil surtout destiné à la coupure des distributions électriques et aux alimentations des transfor-

mateurs

- Tension d’emploi 3.6, 5.5, 7.2, 23, 36 KV

- Courant d’emploi plusieurs centaines d’ampères

2.6 Dénomination des interrupteurs

- Tension d’emploi

- Courant d’emploi

- Pouvoir de coupure

- Nombre de pôles



3 Appareillage de commande : Le contacteur.

3.1 Fonction

Un contacteur est un interrupteur commandé à distance. La fermeture des pôles s’obtient parl’alimentation d’un électroaimant de commande, lorsque l’on coupe cette alimentation ==> courantmagnétisant nul, les pôles s’ouvrent sous l’action du ressort de rappel.

Le contacteur est donc normalement ouvert au repos, Lorsque les pôles principaux sont fermés enposition repos il est appelé “rupteur”.

Le contacteur permet d’établir ou d’interrompre l’énergie électrique dans un circuit en charge (interrupteur commandé ) dans des conditions normales ou de surcharges, il possède donc un pouvoirde coupure.

3.2 Symbole

3.3 Constitution générale

a) contacteur à translation b) Contacteur à rotation

- Eléments de base du contacteur

- Pôles principaux qui établissent le courant ( équipé d’un dispositif de coupure de l’arcélectrique )

- Electroaimant qui est l’organe moteur du contacteur

- Des contacts auxiliaires

- Bloc additionnel : contacts auxiliaires ou temporisé



3.4 Les pôles ou contacts principaux

Le pôle est constitué d’un contact fixe et d’un contact mobile, il estcaractérisé par son courant d’emploi, sa tension d’emploi, son pouvoirde coupure et de fermeture.

Exemple pôle à soufflage magnétique de 200 à 300 A

3.5 La bobine

La bobine produit le flux magnétique nécessaire à l’attractiondu circuit magnétique mobile. Elle est conçue pour résister auxchocs mécaniques provoqués par la fermeture et l’ouverture ducontacteur. Elles sont particulièrement résistantes aux sur ten-sion.

3.6 Le circuit magnétique

- En courant alternatif

* Afin de réduire les pertes par courant de Foucault qui prennent naissancedans toute masse métallique soumise à un flux alternatif, le circuit magnétiqueest feuilleté. On utilise des tôles d’acier au silicium isolées entre elles et assem-blées par rivets.

* Lorsque l’électroaimant est ouvert, la réluctance du circuit magnétique estélevée c’est à dire que l’impédance de la bobine est faible. Il en résulte dans cesconditions un appel de courant très important, par contre une fois fermée, sa



réluctance diminue, son impédance augmente, et le courant de maintient estbeaucoup plus faible. Courant de maintient 6 à 10 fois le courant d’appel. Ondit que le contacteur alternatif est auto-adaptif.

* Alimenter sous une tension de 50 Hz le courant passe par 0 toute les 10ms, le flux magnétique passe par 0 est la partie mobile n’est plus attirée. Il enrésulte une vibration du contacteur ( 100 Hz ). Pour annuler cette vibrationon utilise une bague en cuivre qui embrasse les deux tiers de la surface por-tante d’une branche du circuit magnétique. Cette bague a pour effet d’éviter,en déphasant une partie du flux, que la force d’attraction ne s’annule. On

l’appelle spire de Frager.

- En courant continu

* Nous n’avons pas de flux variable donc pas de perte par courant de Foucault on peut doncutiliser des circuits magnétiques massifs en fer doux.

* Lorsque le contacteur est fermé le courant de maintient est, comme pour le contacteur alterna-tif, beaucoup plus faible. Pour réduire le courant absorbé en position fermée on utilise une résis-tance branchée en série avec la bobine, cette résistance est appelée résistance d’économie, elle estmise en service par un contact auxiliaire en fin de fermeture.

3.7 Organes auxiliaires

a) Contacts instantanés

Ils sont destinés à assurer auto alimentation, les asservissements, les verrouillages descontacteurs dans les équipements. Il en existe deux types à fermeture, et à ouverture.

b) contact temporisé

Le contact temporisé permet d’établir ou d’ouvrir un contact un certain temps après la fermeture( au travail ), ou à l’ouverture ( au repos ) du contacteur qui l’actionne.



3.3 Choix des contacteurs

Pour choisir un contacteur il faut tenir compte d’un grand nombre de paramètres.

a) Altitude

L’affaiblissement de la densité de l’air avec l’altitude agit sur son niveau d’isolation, donc sur latension d’emploi du contacteur, sur son pouvoir de coupure et donc par conséquent sur son courantd’emploi. Les contacteurs sont prévus pour fonctionner normalement jusqu’à’à une altitude de 3000m, après il faut procéder à un déclassement.

b) Catégorie d’emploi:

Elle définit, pour l’utilisation normale d’un contacteur, les conditions d’établissement et de coupuredu courant, en fonction du courant nominal d’emploi "Ie" et de la tension nominale d’emploi “Ue”,elle dépend :

- De la nature du récepteur contrôlé ( résistance, moteur à cage, moteur à bagues ... ).- Des conditions d’emploi dans lesquelles s’effectuent les fermetures et les ouvertures ( moteur

lancé ou calé, en cours de démarrage, freinage par contre courant ... ).

- En alternatif

* AC1

Elle s’applique à tous les récepteurs dont le facteur de puissance est au moins égal à 0.95

- Chauffage

- Distribution

* AC2

Coupure du moteur pendant le démarrage ou le freinage moteur à bague

Elle concerne les applications pour les moteurs à bagues. A la fermeture l’intensité peutatteindre 2.5 In, à l’ouverture, il peut couper l’intensité de 2.5 fois l’intensité nominale.

- Démarrage rotorique

* AC3

Coupure du moteur lancé.

Elle concerne les moteurs à cage, la coupure se faisant moteur lancé. A la fermeture lecourant peut atteindre 6 In, à l’ouverture le courant à couper est voisin de In.

- Démarrage direct

* AC4

Coupure moteur pendant le démarrage ou le freinage moteur à cage.

Elle concerne les applications pour les moteurs à bagues. A la fermeture l’intensité peutatteindre 6 In, à l’ouverture, il peut couper l’intensité de 6 fois l’intensité nominale.

- Inversion du sens de marche

- Freinage par contre courant

- Marche par “à coups”



- En courant continu

* DC1, DC3, DC5 ( voir doc ).

c) Autres facteurs de choix

- Le courant nominal d’emploi.

- Le courant temporaire admissible

- Courant que peut supporter

- Le courant d’emploi maxi ith.

- Le courant temporaire admissible.

- La puissance nominale d’emploi.

- Le pouvoir de coupure.

- Le pouvoir de fermeture.

- Le facteur de marche (voir doc).

- Le nombre de millions de manoeuvres.

- La normalisation imposée par certains organismes, ou certains utilisateurs.

3.8 Exemples de choix de contacteur

On prendra comme exemple une puissance de 11 KW sous 220V triphasé pour un million de ma-noeuvres

a) Pour un départ de circuit de distribution

Dans un circuit de distribution le contacteur peut être utilisé:

- Comme contacteur de ligne



Il devra être associé à un dispositif de protection contre les courts-circuits et les surcharge deslignes de distribution. La durée du service est longue et le nombre de manoeuvres réduit, la ferme-ture s’effectue généralement à vide et l’ouverture sur charge normale. Le pouvoir de coupure doitêtre élevé pour palier à tout incident, le contacteur doit être coordonné avec les dispositifs deprotection.

- Comme contacteur de couplage ou divisionnaire

Le contacteur est placé en aval du dispositif général de coupure, il est utilisé pour l’alimentationde divers locaux. La durée du service est longue et le nombre de manoeuvres réduit, la fermetureet l’ouverture s’effectuent généralement à vide.

Pour choisir ce type de contacteur on teint compte:

- Du courant thermique maximal admissible en catégorie AC1

- De la température ambiante qui si elle est supérieure à 40 °C pourra nécessiter l’emploi

d’un contacteur de calibre supérieur.

- De la section des câbles de raccordement.

Exemple

Contacteur divisionnaire pour l’alimentation d’un atelier, on envisage unepuissance disponible de 11 KW sous 220 V triphasé.

I=

Pour 1 million de manoeuvres on trouve le contacteur LC1 D32 A65 ==> unconducteur d’alimentation de 6 mm² avec un courant d’utilisation en AC1 de32A

Choix :

b) Contacteur pour un circuit d’éclairage

Les circuits étant définis pour un nombre calculé de sources lumineuses non modifiables il suffit deles protéger contre les courts circuits avec des fusibles de type G1 32 A.

- Lampe à filament

* Utilisation nécessitant peut de manoeuvres

* Cos φ voisin de 1 ( 0.95 )

*Une pointe d’intensité, pouvant varier de 15 à 20 In, doit être prise en compte à la ferme-ture du circuit ( filament froid peut résistant ).

Exemple

220 V triP= 11 KW



In=

Donc IP = 18 In =

C’est le pouvoir de fermeture qui conditionne le choix du contacteur.On choisit un contacteur 50A en AC1 car son pouvoir de fermeture est de 550 A

Choix :

- Lampe à vapeur de mercure

* Utilisation nécessitant peut de manoeuvres.

* Cos f voisin de 0.5, il s’agit d’un circuit selfique, et un arc important peut se produire aumoment de la coupure.

* La pointe d’intensité lors de la mise sous tension est faible 1 à 1.6 In.

On utilise alors le contacteur dans la catégorie AC3

L’intensité à couper est de

I =

C’est l’intensité nominale qui détermine le choix du contacteur

Choix :

- Lampe fluorescente ( lampe à décharge avec compensation du cos φ )

* Utilisation nécessitant peut de manoeuvre

* Cos f passe de 0.5 à 1

*Une pointe d’intensité, pouvant varier de 15 à 20 In, doit être prise en compte à la ferme-ture du circuit et il faut vérifier si le contacteur peut fermer le circuit.

Exemple

220 V triP= 11 KW

In=

Donc IP = 18 In

C’est le pouvoir de fermeture qui conditionne le choix du contacteur.



On choisit un contacteur 50A en AC1 car son pouvoir de fermeture est de 550 A.

Choix :

c) Circuit de chauffage

- La variation de résistance entre l’état froid et l’état chaud entraîne une pointe d’intensitéà la fermeture de 2 à 3 In.

- Utilisation nécessitant peut de manoeuvre

- Coupure en charge du courant nominal

- Seul l’intensité thermique est à prendre en compte car le cos f est voisin de 1

- Les contacteurs étant généralement dans des coffrets il faut tenir compte de l’élévationde température ( de 55 à 60°C).

Exemple

220 V triP= 11 KWCos φ = 0.95

In=

Donc on choisit un contacteur en AC1 de plus de 30.5 A

Choix

d) Alimentation du primaire d’un transformateur

L’ors de la fermeture du primaire du transformateur une pointe d’intensité au cours de la premièredemie onde peut atteindre jusqu’à 25 à 30 fois In.

C’est le pouvoir de fermeture qui conditionne le choix du contacteur.U = 380 V triPuissance du transformateur 12.5 KVA. Charge secondaire: Un

moteur 11 KW sous 220 V. L’intensité au primaire est de :

I =

On choisit un contacteur en AC3 de 40 A qui a un pouvoir de ferme-ture de 800 A

Choix



e ) Coupure d’un moteur lancé

C’est le cas le plus fréquent.

- AC2 Pour les moteurs a bagues.

- AC3 Pour les moteurs à cage.

Exemple

U220 V

P= 11 KW

I emploi 39 A

Choix

Pour 1 million de cycle de manoeuvres en catégorie AC3 un contacteur 40 A pourra êtreutilisé jusqu’à 2 millions

Durée de vie du contacteur

Pour l’entretient des installations il est nécessaire d’avoir un ordre d’idée en ce qui concerne leremplacement des contacteurs et donc de savoir leur durée de vie

- Durée de vie:

C’est l’endurance électrique d’un contacteur en fonction du courant coupé divisé par lenombre de manoeuvres horaires multiplié par le nombre d’heures travaillé par mois multipliépar le nombre de mois travaillé dans l’année.

Exemple un contacteur qui fonctionne 50 fois par heure, 200 heures par mois sur 10 mois par an àune durée de vie de :

f) Coupure durant le démarrage ou le freinage

- AC2 Pour les moteurs a bagues.- AC4 Pour les moteurs à cage.



* Utilisation utilisant un grand nombre de manoeuvres.* Intensité à couper importante.* A chaque coupure un arc prend naissance entre les contacts et détruit une partie de ceux ci.

L’usure est plus rapide qu’en AC3.ExempleU220 VP= 11 KWI emploi 39 AMoteur à baguesI coupé = 2.5 IeMoteur à cageI coupé = 6 Ie

choix

3.9 Complément

Pour les contacteur utilisé pour les démarrage, iIl convient de tenir compte du mode de fonctionne-ment des contacteurs de démarrage pour effectuer leur choix.

4. Les discontacteursUn discontacteur est l’association d’un contacteur et d’un relais thermique. Ils peuvent être assemblés

ou compact.

5. Les intégrés (contacteurs-disjoncteur)L’équipement d’un circuit terminal doit réaliser 5 fonctions essentielles:

- La protection contre les surcharges

- La protection contre les courts circuits

- La commande

- Le sectionnement

- L’arrêt d’urgence

Ces fonctions sont traditionnellement assurées par des appareils distincts quel’on doit associer pour constituer des structures de type.

Fusible + contacteur + relais thermique

Ou

Disjoncteur + contacteur + relais thermique

Maintenant on trouve sur le marché des appareils qui intègrent ses différentesfonctions sous la forme d’un boîtier compacte sur lequel on peut ajouter cer-taine option qui complète l’installation du type contacteur disjoncteur.

Il comprend:

-Un disjoncteur limiteur à haut pouvoir de coupure:



Il assure la protection contre les courts circuits, le pouvoir de coupure est très élevé et a poureffet de limiter le courant de court circuit par une coupure ultra-rapide.

- Un contacteurPour le contrôle automatique et la télécommande.

- Un sectionnementLa fonction de sectionnement sur ce type d’appareil est conforme à la norme NF C 15 100.

- Si on lui ajoute un module de protection magnéto-termique il assure une protection contreLes faibles surcharge et les surintensités moyennes, avec une possibilité de réglage.

6. Incidents entraînant la détérioration des contacteursSi un contacteur est détérioré il convient de vérifier son choix, si le choix est correct, le problème vient

souvent d’un défaut du circuit de commande qui entraîne un mauvais fonctionnement de l’électro aimant.

6.1 Les différentes sources de perturbations

a) Chute de tension du réseau

Une chute de tension occasionnée par le démarrage du moteur, au moment ou les contacts setouchent, entraîne une perte d’énergie au niveau du circuit magnétique qui n’a plus assez de forcepour fermer les contacts, la pression sur les pôles étant nulle, ceux ci se soudent, lorsque le moteurà atteint sa vitesse nominale, la tension augmente et le circuit magnétique se ferme normalement,mais les contacts peuvent rester soudés.

Dans ce cas, c’est l’installation qui est en cause. Il faut recalculer la longueur et la section desconducteurs de ligne et éventuellement la puissance du transformateur d’alimentation.

b) Chute de tension après une coupure secteur.

Lors de la reprise du secteur si plusieurs moteurs redémarrent en même temps on peut avoir lemême problème que précédemment. Il faut prévoir un système qui fasse démarrer les moteurs avecun décalage dans le temps.

c) Chute de tension dans le circuit de commande

Si de nombreux contacts sont en série dans le circuit de la bobine du contacteur il peut se pro-duire une chute de tension qui s’ajoute à la précédente. Dans ce cas il faut relayer l’appareillage etlimiter le nombre de contacts en série avec la bobine du contacteur.

d) Vibration des contacts

Il peut arriver que la fermeture des contacteurs crée des vibrations dans d’autres contacteursoccasionnant ainsi des fermeture incomplète et un soudage des contacts. Un remède consiste alorsà temporiser l’ordre de fermeture de quelques secondes.

c) Micro coupure du réseau

Lors de la refermeture du contacteur après une brève disparition de la tension du réseau ( quel-que millisecondes), Il se produit dans le moteur une pointe d’intensité pouvant atteindre le doublede la pointe d’intensité au démarrage, il y à risque de soudure des pôles par dépassement dupouvoir de fermeture. Pour protéger les contacts il faut, soit temporisé la refermeture de plusieurssecondes, soit retardé l’ouverture du contacteur ( alimentation avec redresseur et capacité).

6.2 Conséquence des incidents

Si, par suite d’une perturbation les pôles d’un contacteur se soudent, il ne se passe rien d’anormal avantl’ordre d’arrêt du moteur.



A l’ouverture le contacteur restera suspendu sur le ou les pôles soudés, les pôles non soudés s’ouvrirontde quelques dixièmes de millimètres.

Un arc prend naissance et laisse passer le courant, le moteur continu à tourner et l’arc électrique brûleles contacts et met le feu à l’appareil.

Le courant n’étant pas supérieur à l’intensité nominale, les protections n’ont pas à intervenir avant quele feu ait provoqué un court-circuit.

Exemple de soudure de contact

Documentation technique

Définition des catégories d'emploi

Caractéristiques d'essais correspondant aux catégories d'emploi normalisées en alternatif

Caractéristiques principales en alternatif

Caractéristiques principales en alternatif ou continu

Guide de choix

Définitions

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Documents