EXP MN SE090 FR R0 Chargeurs Onduleurs ASI

ÉLECTRICITÉ CHARGEURS - ONDULEURS - ASI

MANUEL DE FORMATION Cours EXP-MN-SE090-FR Révision 0

Formation Exploitation Électricité Chargeurs – Onduleurs - ASI

ÉLECTRICITÉ CHARGEURS - ONDULEURS - ASI SOMMAIRE 1. OBJECTIFS .....................................................................................................................7 2. LES BASES – RAPPEL ...................................................................................................8 2.1. INTRODUCTION.......................................................................................................8 2.2. LES COMPOSANTS DE BASE – RAPPEL ..............................................................9 2.2.1. Diode ...............................................................................................................10 2.2.1.1. Analyse de la caractéristique d’une diode ..................................................11 2.2.1.2. Paramètre de choix d’une diode.................................................................12 2.2.1.3. Mesure et vérification d’une Diode .............................................................12 2.2.2. Thyristor ..........................................................................................................13 2.2.2.1. Constitution et fonctionnement du thyristor ................................................14 2.2.2.2. Conditions d'amorçage...............................................................................15 2.2.2.3. Condition de blocage .................................................................................15 2.2.2.4. Protection contre les di/dt...........................................................................15 2.2.2.5. Protection contre les dv/dt..........................................................................16 2.2.2.6. Protection contre les courts-circuits ...........................................................16 2.2.2.7. Spécifications techniques...........................................................................16 2.2.2.8. Mesure et vérification d’un thyristor............................................................17 2.2.3. Le thyristor GTO (Gate Turn Off thyristor) .......................................................18 2.2.4. Le transistor.....................................................................................................19 2.2.5. L’IGBT .............................................................................................................19 2.2.6. Le transistor MOS ...........................................................................................20 2.2.7. Condensateur..................................................................................................21 2.2.7.1. Principaux types de condensateurs utilisés en redressement....................21 2.2.7.2. Maintenance des condensateurs électrochimiques....................................23 2.2.7.3. Fonctionnement .........................................................................................23 2.2.7.4. Mesure et vérification d’un condensateur...................................................24 2.2.8. Inductance.......................................................................................................25 3. REDRESSEUR – CHARGEUR DE BATTERIES...........................................................27 3.1. DIFFERENCE / FONCTION / ROLE .......................................................................27 3.1.1. Redresseur......................................................................................................27 3.1.2. Chargeur de batteries......................................................................................27 3.2. REDRESSEMENT NON COMMANDE ...................................................................27 3.2.1. Redressement monophasé simple alternance ................................................28 3.2.2. Redressement monophasé double alternance a pont de Graetz ....................30 3.2.3. Redressement triphasée simple alternance ....................................................31 3.2.4. Redressement triphasée double alternance ....................................................33 3.2.5. Conclusion sur les différents types de redressement non commandé ............36 3.3. REDRESSEMENT COMMANDE ............................................................................38 3.3.1. Redressement commandé simple alternance monophasé..............................38 3.3.2. Redressement commandé monophasé double alternance .............................40 3.3.2.1. Pont mixte ..................................................................................................40 Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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3.3.2.2. Pont tout thyristor ou complet sans diode roue libre ..................................41 3.3.3. Redressement commandé triphasé simple alternance....................................44 3.3.4. Redressement triphasé double alternance ......................................................45 3.4. FILTRAGE DU REDRESSEMENT..........................................................................46 3.4.1. Lissage / Filtrage par condensateur ................................................................46 3.4.2. Lissage / Filtrage par inductance.....................................................................48 3.4.3. Lissage / Filtrage mixte condensateur et inductance.......................................49 4. LE CHARGEUR ET LES DIFFERENTS MODES DE CHARGE....................................50 4.1. LE CHARGEUR DE BATTERIE ..............................................................................50 4.1.1. Description et principe de fonctionnement.......................................................50 4.1.2. Système mixte.................................................................................................52 4.1.3. Modes de fonctionnement ...............................................................................53 4.1.3.1. Mode Floating ............................................................................................54 4.1.3.2. Mode panne d’alimentation CA ..................................................................54 4.1.3.3. Mode charge et alimentation de charge .....................................................55 4.1.3.4. Groupe de batteries ...................................................................................55 4.1.3.5. Ventilation et extraction ..............................................................................55 4.2. COMMENT CHARGER ACCUMULATEURS OU BATTERIES ..............................56 4.2.1. Charge des batteries plomb acide...................................................................56 4.2.1.1. Charge des batteries au plomb en 2 étapes...............................................58 4.2.1.2. Charge des batteries au plomb en 3 étapes...............................................58 4.2.2. Charge des batteries nickel-cadmium .............................................................59 4.2.2.1. Charge normale .........................................................................................59 4.2.2.2. Charge accélérée.......................................................................................60 4.2.2.3. Charge rapide ............................................................................................60 4.2.2.4. Charge permanente ...................................................................................61 4.2.2.5. Courant de maintien ...................................................................................61 4.2.2.6. Méthode industrielle de charge ..................................................................61 4.2.3. Charge des batteries nickel métal hydrure ......................................................62 4.2.4. Charge des piles au lithium .............................................................................64 4.2.5. Charge des piles alcalines...............................................................................66 4.2.6. Pic delta-dV/dt - dV .........................................................................................67 5. ONDULEUR...................................................................................................................69 5.1. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT.......................................................................69 5.1.1. Interrupteurs ....................................................................................................69 5.1.2. Montages pratiques .........................................................................................70 5.1.3. Les différents types d’onduleurs......................................................................71 5.1.3.1. Mutateur (ou onduleur à commande symétrique).......................................71 5.1.3.2. Onduleur en créneaux (ou onduleur à commande décalée) ......................73 5.1.3.3. Onduleur MLI .............................................................................................73 5.2. ONDULEUR TRIPHASE .........................................................................................75 5.3. APPLICATION-ONDULEUR SUR SITE..................................................................77 5.3.1.1. Presentation ...............................................................................................77 5.3.2. Principle of operation.......................................................................................78 6. A.S.I. ..............................................................................................................................80 6.1. LES ASI POUR ALIMENTATION CA ......................................................................80 6.1.1. Synchronisation ASI ........................................................................................81 6.1.2. Principe de fonctionnement suivant les configurations ....................................82 Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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6.1.2.1. Fonctionnement en marche normale..........................................................83 6.1.2.2. Panne de l’alimentation CA principale (normale) .......................................84 6.1.2.3. Alimentation de réserve (secours) en ligne ................................................84 6.1.2.4. Mode By-pass ou en Maintenance.............................................................85 6.1.3. L’interrupteur statique......................................................................................85 6.1.4. Opération de maintenance et de by-pass........................................................87 7. PROTECTIONS DES ONDULEURS ET ASI.................................................................91 7.1. LES SCHEMAS DE LIAISON DU NEUTRE A LA TERRE EN BT...........................91 7.1.1. Description ......................................................................................................91 7.1.2. En pratique ......................................................................................................92 7.1.2.1. Neutre à la terre -TT- (a) ............................................................................93 7.1.2.2. Mise au neutre (TN) ...................................................................................94 7.1.2.3. Neutre isolé (IT) et impédant......................................................................94 7.2. PRINCIPALES CONFIGURATIONS OU TYPES D’ASI ..........................................95 7.2.1. ASI double conversion (ASI dite « ON-LINE ») ...............................................95 7.2.2. ASI fonctionnant en interaction directe avec le réseau....................................96 7.2.3. ASI fonctionnant en attente passive ................................................................97 7.2.4. Associations d’ASI...........................................................................................98 7.2.4.1. ASI mises en parallèle ...............................................................................98 7.2.4.2. ASI en redondance passive .......................................................................99 7.2.5. Spécificités liées aux différents types d’ASI ....................................................99 7.2.6. Contraintes particulières................................................................................100 7.2.6.1. Présence d’isolement galvanique dans une ASI ......................................100 7.2.6.2. Exigence de continuité de service............................................................101 7.3. PROTECTION CONTRE LES CONTACTS DIRECTS..........................................101 7.4. PROTECTION CONTRE LES CONTACTS INDIRECTS ......................................102 7.4.1. Choix du schéma des liaisons à la terre en aval de l’ASI ..............................102 7.4.2. Lorsque le SLT en amont de l’ASI est en TN-C.............................................103 7.4.3. Lorsque le SLT en aval de l’ASI est différent du SLT en amont ....................103 7.4.4. Lorsque les SLT en amont et en aval de l’ASI sont identiques......................104 7.4.4.1. Les schémas amont et aval sont TN-C ....................................................104 7.4.4.2. Les schémas amont et aval sont TN-S, TT ou IT .....................................104 7.4.5. Précision sur mesure de protection par coupure automatique de l’alimentation ................................................................................................................................105 7.4.5.1. Deux recommandations pratiques............................................................106 7.4.5.2. Cas particulier des ASI de faible puissance connectées au réseau normal par prise de courant ..............................................................................................106 7.4.6. Protection contre les retours de tension en entrée ........................................107 7.5. APPLICATION ......................................................................................................107 7.5.1. Application aux ASI unitaires.........................................................................107 7.5.1.1. Les schémas de liaison à la terre en amont et en aval sont différents .....107 7.5.1.2. Les schémas de liaison à la terre en amont et en aval sont identiques, et il n’y a pas d’isolement galvanique. .........................................................................115 7.5.1.3. Cas des ASI de petite puissance raccordées par prise............................118 7.5.2. Application aux ASI mises en parallèle..........................................................118 7.5.2.1. Schémas de liaison à la terre en amont et en aval des ASI différents .....118 7.5.2.2. Les schémas de liaison à la terre en amont et en aval sont identiques, et il n’y a pas d’isolement galvanique ..........................................................................124 Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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7.5.3. Application aux STS ......................................................................................126 7.5.3.1. Principe et difficulté ..................................................................................126 7.5.3.2. Les schémas amont et aval sont différents ..............................................127 7.5.3.3. Les schémas amont et aval sont identiques.............................................131 7.6. PROTECTION CONTRE LES CONTACTS INDIRECTS POUR LES CIRCUITS CC ET LA BATTERIE.........................................................................................................135 7.6.1. Dispositifs de contrôle des circuits CC ..........................................................135 7.6.1.1. Les contrôleurs permanents d’isolement..................................................136 7.6.1.2. Les dispositifs différentiels à courant résiduel (DDR)...............................137 7.6.1.3. Perturbations dues aux filtres...................................................................139 7.6.1.4. Perturbations dues aux courants de fuite haute fréquence - HF - ............140 7.6.1.5. Interaction entre les dispositifs de contrôle des circuits CC et ceux des installations amont et aval.....................................................................................140 7.6.2. Principaux cas d’application ..........................................................................141 7.6.2.1. Circuits CC isolés des installations amont et aval ....................................142 7.6.2.2. Circuits CC non isolés de l’installation amont...........................................142 7.6.2.3. Circuits CC non isolés de l’installation aval ..............................................144 7.6.2.4. Circuits CC non isolés des installations amont et aval .............................148 7.7. CONCLUSION ......................................................................................................151 8. CONVERTISSEURS VARIATEURS DEMARREURS ...............................................152 8.1. INTRODUCTION - CONVERTISSEURS ..............................................................152 8.2. HISTORIQUE ET RAPPEL ...................................................................................152 8.2.1. Historique ......................................................................................................152 8.2.2. Principales fonctions démarreurs et variateurs de vitesse électroniques ......153 8.2.2.1. Accélération contrôlée..............................................................................153 8.2.2.2. Variation de vitesse..................................................................................153 8.2.2.3. Régulation de vitesse...............................................................................154 8.2.2.4. Décélération contrôlée .............................................................................154 8.2.2.5. Inversion du sens de marche ...................................................................155 8.2.2.6. Freinage d’arrêt........................................................................................155 8.2.2.7. Protections intégrées ...............................................................................155 8.3. LES PRINCIPAUX TYPE DE FONCTIONNEMENT..............................................156 8.3.1. Variateur unidirectionnel................................................................................157 8.3.2. Variateur bidirectionnel..................................................................................158 8.3.3. Fonctionnement à couple constant................................................................158 8.3.4. Fonctionnement à couple variable.................................................................158 8.3.5. Fonctionnement à puissance constante ........................................................159 8.4. LES PRINCIPAUX TYPES DE VARIATEURS ......................................................160 8.4.1. Redresseur contrôlé pour moteur à courant continu .....................................160 8.4.2. Convertisseur de fréquence pour moteur asynchrone...................................160 8.4.3. Gradateur de tension pour le démarrage des moteurs asynchrones.............161 8.5. STRUCTURE DEMARREURS ET VARIATEURS ELECTRONIQUES.................162 8.5.1. Le module de contrôle ...................................................................................162 8.5.2. Le module de puissance................................................................................163 8.6. VARIATEURS REGULATEURS POUR MOTEURS COURANT CONTINU .........163 8.6.1. Principe général ............................................................................................163 8.6.1.1. Régulation ................................................................................................164 8.6.1.2. Inversion du sens de marche et freinage par récupération ......................165 Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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8.6.2. Modes de fonctionnement possibles (moteurs CC) .......................................165 8.6.2.1. Fonctionnement dit à « couple constant »................................................165 8.6.2.2. Fonctionnement dit à « puissance constante » ........................................166 8.7. CONVERTISSEUR DE FREQUENCE POUR MOTEUR ASYNCHRONE ............166 8.7.1. Principe général ............................................................................................166 8.7.1.1. Constitution ..............................................................................................166 8.7.1.2. La variation de vitesse .............................................................................168 8.7.1.3. Les protections intégrées .........................................................................168 8.7.2. Fonctionnement en U/f ..................................................................................169 8.7.3. Commande vectorielle...................................................................................169 8.7.3.1. Variateur avec contrôle vectoriel de flux sans capteur .............................172 8.7.3.2. Variateur avec contrôle vectoriel de flux en boucle fermée avec capteur 172 8.7.3.3. Inversion du sens de marche et freinage .................................................175 8.7.3.4. Freinage de ralentissement par injection de courant continu ...................176 8.7.3.5. Les modes de fonctionnement possibles (moteurs asynchrones)............176 8.7.4. Gradateur de tension pour moteur asynchrone .............................................177 8.7.4.1. Principe général .......................................................................................178 8.7.4.2. Inversion du sens de marche et freinage .................................................179 8.7.4.3. Freinage de ralentissement par injection de courant continu ...................180 8.7.5. Moto - variateurs synchrones ........................................................................180 8.7.5.1. Principe général .......................................................................................180 8.7.5.2. Le moteur .................................................................................................180 8.7.5.3. Le variateur ..............................................................................................180 8.7.6. Moto - variateurs pas-à-pas...........................................................................181 8.7.6.1. Principe général .......................................................................................181 8.7.6.2. Le moteur .................................................................................................182 8.7.6.3. Le variateur ..............................................................................................182 8.8. FONCTIONS COMPLEMENTAIRES DES VARIATEURS DE VITESSE ..............183 8.8.1. Les possibilités de dialogue...........................................................................183 8.8.2. Les fonctions intégrées (exemple ATV).........................................................184 8.8.3. Les cartes optionnelles (exemple ATV) .........................................................185 9. GLOSSARY .................................................................................................................186 10. FIGURES...................................................................................................................187 11. TABLES .....................................................................................................................192

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1. OBJECTIFS A la fin du cours, le participant sera capable de: Lister, exposer les caractéristiques principales des composants de base utilisés dans les convertisseurs Expliciter le fonctionnement d’un redresseur Expliciter le fonctionnement d’un chargeur de batteries Différencier les différentes méthodes de charge en fonction du type de batterie Expliciter le fonctionnement d’un onduleur Expliciter le fonctionnement d’un variateur et les différents types Assembler, choisir les équipements pour disposer de source secourues en alternatif ou en continu (et depuis soit de l’alternatif, soit du continu) Exposer le fonctionnement d’une ASI (pour continu et alternatif) Intégrer des ASI dans une installation / distribution donnée en choisissant le régime de protection Terre et Neutre approprié Définir les protections de chacun des éléments d’une ASI

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2. LES BASES – RAPPEL 2.1. INTRODUCTION Ce cours présente plusieurs équipements qui sont: Redresseur / Chargeur : il transforme un courant alternatif en courant continu pour soit charger un jeu de batteries, soit alimenter une distribution en continu, soit les deux (chargeur + alimentation) Onduleur : il transforme le courant continu en courant alternatif à une fréquence fixe ASI (Alimentation Sans Interruption) – UPS (Uninterrupted Power Supply) : c’est l’ensemble Chargeur / Redresseur + Onduleur pour disposer d’une source non interrompue de courant alternatif Convertisseur (ou variateur de fréquence) : c’est « l’équivalent » d’une ASI (sans les batteries), la partie « onduleur » devenant à fréquence variable. Mais un convertisseur pourra aussi « convertir » du CA en CC (alimentation de moteur CC), du CC en CA, du CC en CC (Hacheur),….. Convertisseur (de fréquence et/ou autre)

Alimentation Mono ou tri

CA

CC CC

Utilisation

CA

Onduleur Chargeur de batteries

ASI (UPS)

Figure 1: L’ensemble Redresseur / Chargeur / Onduleur / ASI / Convertisseur Sont exposés les principes technologiques de fonctionnement de ces différents équipements et ce en « transformation statique ». Les machines tournantes fournissant et/ou convertissant du courant alternatif et/ou continu sont considérées comme des générateurs / alternateurs. Voir les cours spécifiques sur ce sujet : EXP-MN-SE060 et EXP-PR-EQ150. Nous voyons également « l’intégration » de ces équipements dans une installation / distribution électrique avec les protections et régimes de terre, régime de neutre à adopter. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Mais avant tout, faisons un rappel pour les composants de base de ces équipements : la diode, le transistor, le thyristor, l’IGBT, etc. pour redresseur et onduleur et le condensateur, l’inductance pour les filtres

2.2. LES COMPOSANTS DE BASE – RAPPEL Voir également cours EXP-MN-SE020 « formules et paramètres / composants) Les composants de puissance (voir figure) sont des semi-conducteurs fonctionnant en tout ou rien, donc comparables à des interrupteurs statiques pouvant prendre les deux états : passant ou bloqué. Figure 2: Les composants de puissance 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 des redresseurs des onduleurs, de la variation de vitesse et les progrès réalisés ces dernières années ont permis la réalisation de systèmes et équipements de plus en plus économiques. Note : Les matériaux semi-conducteurs, tels que le silicium, ont une résistivité qui se situe entre celle des conducteurs et celle des isolants. Leurs atomes possèdent 4 électrons périphériques. Chaque atome s’associe avec 4 atomes voisins pour former une structure stable à 8 électrons. Un semi-conducteur de type «P» s’obtient en incorporant au silicium pur une faible proportion d’un corps dont les atomes possèdent 3 électrons périphériques. Il manque donc un électron pour former une structure à 8 électrons, ce qui se traduit par un excédent de charges positives. Un semi-conducteur de type N s’obtient en incorporant un corps dont les atomes ont 5 électrons périphériques. Il y a donc un excédent d’électrons, c’est-à-dire un excédent de charges négatives.

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2.2.1. Diode La diode est un semi-conducteur non contrôlé comportant deux régions P (anode) et N (cathode) et qui ne laisse passer le courant que dans un seul sens, de l’anode vers la cathode. Elle conduit quand l’anode est à une tension plus positive que celle de la cathode : elle se comporte alors comme un interrupteur fermé. Elle bloque le courant et se comporte comme un interrupteur ouvert si la tension d’anode devient moins positive que celle de la cathode. Symbole Figure 3: Symbole de la diode Caractéristique

Figure 4: Caractéristique de la diode Fonctionnement La diode, à la manière d'un clapet, ne permet le passage du courant que dans un sens. C'est un dipôle polarisé, l'anode et la cathode sont donc repérées sur le composant

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Figure 5: Fonctionnement de la diode

2.2.1.1. Analyse de la caractéristique d’une diode (Figure « caractéristique de la diode » et figure « fonctionnement de la diode ») La diode présente une caractéristique tension courant dissymétrique. En polarisation directe, la diode commence à conduire (le courant I augmente) lorsque la tension Ud est positive et devient supérieure a V seuil (VD0) (environ 0.6 Volts en fonction du type de diode), pendant la conduction la tension au borne de la diode restera égale a la tension de seuil ou augmentera légèrement avec le courant si on tient compte de la résistance dynamique Rdo (de 10 a 100 milliohms). La conduction de la diode s’arrête uniquement lorsque le courant qui la traverse devient nul. Le courant direct ID doit être limité au courant permanent admissible par la diode IFM, un dépassement de ce courant entraînera rapidement la destruction de celle-ci. En inverse, lorsque VD devient négatif, la diode ne peut pas conduire (le courant reste quasiment nul) sauf si on atteint la tension de claquage VA (ou avalanche) (valeur de tension inverse relativement importante en fonction du type de diode), a ce moment la diode devient passante en inverse et le courant croit brutalement. Le claquage est un phénomène destructif pour le composant (VRM de 200 à 1000 V couramment). Les diodes doivent être dimensionné de manière a ce que l’on n’atteigne jamais la tension de claquage en inverse VRM, ni le courant direct permanent admissible IFM pour que le système fonctionne correctement.

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2.2.1.2. Paramètre de choix d’une diode Tension inverse maximale admissible (reverse voltage) : VR (tension de claquage Vz dans le graphique caractéristique ci-dessus) Courant direct permanent admissible (forward current) : IF (courant direct I dans le graphique caractéristique ci-dessus)

2.2.1.3. Mesure et vérification d’une Diode Une vérification de diode peut être effectué avec un multimètre en position ohmmètre, voir figure « mesure et vérification d’un e diode ».

Figure 6: Mesure et vérification d’une diode Dans le sens direct (a), pointe touche positive sur l’anode, la diode doit être passante donc sa résistance interne est nulle ou très faible, on mesure donc 0 ohms. Dans le sens inverse (b), pointe touche positive sur la cathode, la diode doit être bloqué donc sa résistance interne est très élevée, on mesure donc une résistance hors échelle (trop importante pour être mesuré, OL), si on mesure 0 ohms, cela signifie que la diode est en court circuit et donc défectueuse et a remplacer. Figure 7: Test d’une diode

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Cette méthode permet donc de déceler si une diode est en court circuit. Une mesure plus précise et permettant en plus de connaître la tension de seuil VD0 de diode est possible avec un multimètre en position test de diode, voir figure « test d’une diode). Dans ce type de test, on mesure une tension aux bornes de la diode. Dans le sens direct, pointe touche positive sur l’anode, la diode doit être passante donc la tension mesurée doit être égale à la tension de seuil de la diode, soit environ 0.6 Volts, cette valeur dépend du type de diode utilisé. Si on mesure 0 volts, la diode est en court circuit et donc défectueuse. Dans le sens inverse, pointe touche positive sur l’anode, la diode doit être bloqué et on mesurera une valeur de tension hors échelle (OL), ou 0 volts si la diode est en court circuit. Pour éviter le risque d’erreur de mesure, il est préférable de réaliser ces mesures sur le composant après l’avoir déconnecté.

2.2.2. Thyristor C’est un semi-conducteur contrôlé constitué de quatre couches alternées : P-N-P-N. Symbole Figure 8: Symbole du thyristor Caractéristique

Figure 9: Caractéristique du thyristor Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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2.2.2.1. Constitution et fonctionnement du thyristor Le thyristor est un élément semi-conducteur assez similaire à la diode, utilisée pour le redressement du courant alternatif. Comme la diode, il laisse passer le courant électrique dans un seul sens, de l’anode (A) à la cathode (K). Cependant, le thyristor possède une troisième électrode: la gâchette (G, en anglais gâte). Le thyristor ne conduira que si un courant minimum et positif est fourni à la gâchette. On pourrait résumer en disant que le thyristor est une diode commandée et plus précisément une diode de redressement commandée. En anglais, il est désigné par l'acronyme SCR, pour Silicon Controlled Rectifier (redresseur commandé au silicium). Le thyristor ne conduit, on l'a vu, que lorsqu'il est "amorcé". L’amorçage, par le courant de gâchette, peut se faire en courant continu. Généralement, c’est un générateur d’impulsion qui sera chargé de l’injection dans la gâchette d’un train d’impulsion suffisamment long pour obtenir un amorçage certain et définitif. A partir de ce moment le thyristor s’amorce (on dit en anglais qu'il est on state) et reste amorcé, même après la disparition des impulsions. On désamorce le thyristor en faisant chuter la tension anode cathode: dès que le courant descend en dessous du courant de maintien, le thyristor ne conduit plus (on dit en anglais qu'il est off state). Tant que le courant dans la charge reste supérieur à IL (L pour latch, verrou), et même en l'absence de courant de gâchette, le thyristor continue de conduire. Pour le bloquer, le courant dans la charge doit descendre sous une valeur IH (H pour hold, maintien) pendant un temps suffisant. Le thyristor peut aussi s’auto amorcer si la tension directe à ses bornes dépasse une certaine valeur.

Figure 10: Fonctionnement du thyristor Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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2.2.2.2. Conditions d'amorçage Tension anode cathode positive et suffisante VAK > 0 Courant de gâchette (de G vers K) suffisant IG > IG (max) catalogue La notation IG (max) indique la valeur maximale du courant (continu) de gâchette nécessaire à l'amorçage de tous les thyristors d'une même référence. IG (max) est donc la valeur minimale à prendre en compte pour le dimensionnement de la résistance de gâchette Courant principal IAK supérieur au courant d'accrochage IL (latching current): IAK > IL Dans le cas où le thyristor pilote une charge fortement inductive, le courant principal s'établit lentement, le courant de gâchette doit être maintenu pendant un temps suffisant (impulsion longue)

2.2.2.3. Condition de blocage courant principal inférieur au courant de maintien IAK < IH (holding current), pendant un temps supérieur au temps de désamorçage TG. Lorsque le thyristor fonctionne en courant redressé (cas du pont mixte ou du pont complet), son blocage est naturel (à chaque période). Dans le cas d'un fonctionnement en courant continu (hacheur), il faut recourir à des dispositifs de blocage (blocage forcé).

2.2.2.4. Protection contre les di/dt Au début de l'amorçage du thyristor, seule une petite partie de la jonction est conductrice. Si la vitesse de croissance du courant principal est trop importante, elle peut entraîner des densités de courant énormes qui vont détruire le composant. Pour limiter ce phénomène, on utilise des petites inductances en série avec le thyristor. Figure 11: Schéma de protection du thyristor contre les di/dt

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2.2.2.5. Protection contre les dv/dt Si la tension anode cathode augmente trop rapidement, elle peut entraîner un amorçage intempestif du thyristor (sans signal de gâchette). Pour neutraliser ce phénomène, on utilise le circuit suivant:

Figure 12: Schéma de la protection du thyristor contre les dv/dt Lorsqu'un front raide se présente entre les points A et B, le condensateur se charge à travers D et l'impédance de la ligne. La tension VAK évolue plus lentement (comme aux bornes du condensateur). La résistance R intervient lors de l'amorçage commandé et limite le courant de décharge du condensateur dans le thyristor (di/dt). Ce circuit présente aussi l'avantage d'un amorçage plus facile du thyristor, la décharge du condensateur permettant un établissement plus rapide du courant d'accrochage Il.

2.2.2.6. Protection contre les courts-circuits On utilise des fusibles ultra rapides UR (protistors) choisis en fonction de leur contrainte thermique I²t (A².s): I²t fusible < I²t thyristor.

2.2.2.7. Spécifications techniques Exemple du thyristor rapide DK2416F (Thomson) 260 Aeff Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Symbole

Désignation

Valeur

I0

courant moyen

165A

Vrrm

tension inverse

1600v

Vdrm

tension directe à l'état bloqué

1600v

Itsm(10ms)

courant de surcharge de pointe

4000A

di/dt

vitesse critique de croissance du courant

800A/µs

Dv/dt

vitesse critique de croissance de la tension

200V/µS

Irm

courant inverse

25mA

Igtmax

courant de gâchette d'amorçage

200mA

Vgtmax

tension de gâchette à l'amorçage

3v

Vtmmax

tension de crête à l'état passant

2v (à 450A)

tq

temps de désamorçage

60µs (à 200A)

I²t

contrainte thermique

80000 A²s

Table 1: Spécification technique du thyristor

2.2.2.8. Mesure et vérification d’un thyristor Méthodes de mesures identiques aux diodes, mais le résultat sera différent pour la mesure dans le sens direct. En effet, n’ayant pas d’impulsion de gâchette le thyristor est et reste bloqué pendant la mesure et on obtient les mêmes résultats dans les deux sens, mesure hors échelle (OL) dans le cas d’un fonctionnement a priori normal, ou valeur 0 dans le cas d’un thyristor en court-circuit (défectueux). Figure 13: Mesure et vérification d’un thyristor Un test peu être fait pour vérifier la gâchette, mesure entre la gâchette et la cathode, pointe touche positive sur la gâchette, Il y a une jonction passante entre ces 2 points donc sa résistance interne est nulle ou très faible, on mesure donc 0 ohms en ohmmètre et une tension de seuil en mode test diode.

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Il faut comprendre que ces tests sont très rudimentaires et ne permettent pas de définir, systématiquement, l’état du thyristor sauf, bien sur, en cas de court circuit. En effet, il est possible obtenir des indications correctes a l’ohmmètre mais que le thyristor soit malgré tout défectueux. Le seul moyen de s’assurer du bon fonctionnement d’un thyristor est de le soumettre à un test avec courant de charge ou de vérifier son fonctionnement avec un oscilloscope en fonctionnement normal sur son équipement.

2.2.3. Le thyristor GTO (Gate Turn Off thyristor) C’est une variante du thyristor rapide qui présente la particularité de pouvoir être bloqué par sa gâchette. Un courant positif envoyé dans la gâchette ou « gate » entraîne la mise en conduction du semi-conducteur à condition que l’anode soit à une tension plus positive que la cathode. Pour maintenir le GTO conducteur et limiter la chute de tension, le courant de gâchette doit être maintenu. Le blocage s’effectue en inversant la polarité du courant de gâchette. Le GTO est utilisé sur les convertisseurs de très forte puissance, car il est capable de maîtriser les fortes tensions et intensités (jusqu’à 5 000 V et 5 000 A). Cependant, en raison des progrès des IGBT, leur part de marché tend à s’amenuiser. Le thyristor GTO possède les caractéristiques principales suivantes : à l’état passant une chute de tension composée d’une tension de seuil et d’une résistance interne, un courant de maintien destiné à réduire la chute de tension directe, un courant maximum permanent admissible, un courant de blocage pour provoquer l’interruption du courant ; à l’état bloqué des tensions inverse et directe maximales admissibles, souvent dissymétriques comme avec les thyristors rapides et pour les mêmes raisons, un temps de recouvrement qui est le temps minimal pendant lequel le courant d’extinction doit être maintenu sous peine de le voir se réamorcer spontanément, un courant de gâchette permettant l’allumage du composant. Les GTO peuvent fonctionner à des fréquences de quelques kilohertz.

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2.2.4. Le transistor C’est un semi-conducteur bipolaire contrôlé constitué de trois régions alternées P-N-P ou N-P-N. Il ne laisse passer le courant que dans un seul sens : de l’émetteur vers le collecteur en technologie P-N-P, du collecteur vers l’émetteur en technologie N-P-N. Les transistors de puissance capable de fonctionner sous des tensions industrielles sont du type N-P-N, souvent montés en « Darlington ». Le transistor peut fonctionner en amplificateur. La valeur du courant qui le traverse est alors fonction du courant de commande circulant dans sa base. Mais il peut également fonctionner en tout ou rien comme interrupteur statique : ouvert en l’absence de courant de base, fermé en saturation. C’est ce deuxième mode de fonctionnement qui est utilisé dans les circuits de puissance des redresseurs, onduleurs et variateurs. Les transistors bipolaires couvrent des tensions jusqu’à 1 200 V et acceptent des courants pouvant atteindre 800 A. Ce composant est aujourd’hui remplacé dans les convertisseurs par l’IGBT. Dans le fonctionnement qui nous intéresse le transistor bipolaire possède les caractéristiques principales suivantes : à l’état passant une chute de tension composée d’une tension de seuil et d’une résistance interne, un courant maximum permanent admissible, un gain en courant (pour maintenir le transistor saturé, le courant injecté dans la base doit être supérieur au courant qui circule dans le composant, divisé par le gain), à l’état bloqué, une tension directe maximale admissible. Les transistors de puissance peuvent fonctionner à des fréquences de quelques kilohertz.

2.2.5. L’IGBT C’est un transistor de puissance commandé par une tension appliquée à une électrode appelée grille ou « gate » isolée du circuit de puissance, d’où son nom «Insulated Gate Bipolar Transistor». Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Ce composant nécessite des énergies infimes pour faire circuler des courants importants. C’est aujourd’hui le composant utilisé en interrupteur tout ou rien dans la majorité des convertisseurs (de fréquence, de tension) jusqu’à des puissances élevées (de l’ordre du MW). Ses caractéristiques tension courant sont similaires à celles des transistors bipolaires, mais ses performances en énergie de commande et fréquence de découpage sont très nettement supérieures à tous les autres semi-conducteurs. Les caractéristiques des IGBT progressent très rapidement et des composants haute tension (> 3 kV) et forts courants (plusieurs centaines d’ampères) sont actuellement disponibles. Le transistor IGBT possède les caractéristiques principales suivantes : une tension de commande permettant la mise en conduction et le blocage du composant ; à l’état passant - une chute de tension composée d’une tension de seuil et d’une résistance interne, - un courant maximum permanent admissible ; à l’état bloqué, une tension directe maximale admissible ; Les transistors IGBT utilisés en variation de vitesse peuvent fonctionner à des fréquences de quelques dizaines de kilohertz.

2.2.6. Le transistor MOS Ce composant fonctionne de manière toute différente des précédents, par modification du champ électrique dans un semi-conducteur obtenue en polarisant une grille isolée, d’où l’appellation : « Métal Oxyde Semi-conducteur ». Son usage est limité aux utilisations en basse tension (variateurs de vitesse, onduleurs alimentés par batterie) et/ou de faible puissance car la surface de silicium nécessaire à l’obtention d’une tension de blocage élevée avec une faible chute de tension à l’état passant est économiquement irréalisable. Le transistor MOS possède les caractéristiques principales suivantes : une tension de commande permettant la mise en conduction et le blocage du composant ; à l’état passant Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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- une résistance interne, - un courant maximum permanent admissible ; à l’état bloqué, une tension directe maximale admissible (pouvant dépasser 1000 V). Les transistors MOS utilisés en variation de vitesse peuvent fonctionner à des fréquences de quelques centaines de kilohertz. On les trouve de manière quasi universelle dans les étages d’alimentation à découpage sous la forme de composants discrets ou d’un circuit intégré comportant la puissance (MOS), les circuits de commande et régulation.

2.2.7. Condensateur Voir également le cours EXP-MN-SE020 « Formules et composants » Symbole Figure 14: symbole du condensateur Technologie Il est principalement composé de 2 électrodes métalliques séparées par un isolant.

2.2.7.1. Principaux types de condensateurs utilisés en redressement Condensateurs électrochimiques polarisés Ils sont constitués par une électrode (anode) formée d’aluminium ou de tantale, recouverte d’une couche très fine de son oxyde, l’autre électrode (cathode) se compose du même métal et baigne dans l’électrolyte a base de glycol, d’acide borique et de sulfate d’ammonium ou pour les électrodes au tantales, de bioxyde de manganèse (il est alors solide). Figure 15: Condensateurs électrochimiques polarisés Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Du fait de sa conception ce type de condensateur est donc polarisé (sens de branchement) et ne doit donc être utilisé que sur du courant continu et la tension d’emploi devra être bien inférieure à celle marquée sur son corps (voir tension d’utilisation), soit avec superposition de tension alternative et continue (la tension de crête dans ce cas, ne devant aucunement dépasser la tension du condensateur et être bien entendu dans le bon sens). Le repérage de leurs polarités se fait soit par signes + et/ou – ou par un anneau de couleur rouge du côté du fil correspondant au +. En cas de doute examiner ses deux extrémités, le – est toujours relié à la carcasse alors que le + est relié au plot central. Lorsque ses dimensions ne le permettent pas (tantale par exemple) un point de repérage est alors placé au plus près du fil correspondant au +. Ces condensateurs ont une gamme de valeur très étendue, de 0,1 microfarad à plusieurs milliers de microfarads et cela sous des tensions normalisées de 6V à 500V. Ce type de condensateur ne supporte pas les surtensions, les inversions de polarités et encore moins le courant alternatif. Cela peut provoquer un échauffement voire même son explosion pure et simple (cela permet de voir l’impressionnante quantité de feuilles qui le compose…). Emploi : Partout où une forte valeur est exigée, filtrage, découplage, lissage, ligne de retard… Inconvénients : Tout comme nous, ce type de condensateur vieillit et a donc une durée de vie ; et il faut se méfier particulièrement des récupérations, car on peut avoir des surprises, surtout si le montage effectué requiert de la précision. De plus, la rapidité du vieillissement augmente avec la fréquence d’utilisation de ces condensateurs Condensateurs électrochimiques non polarisés Ceux-ci sont très proches et du même aspect que leurs cousins polarisés. Ils ont la particularité d’être équivalent à deux condensateurs électrochimiques polarisés que l’on aurait placé dans le même boîtier. Leur principal avantage est de pouvoir êtres utilisés sur du courant alternatif, ils n’ont donc pas de sens de branchement. Ils possèdent en plus les avantages d’un condensateur électrochimique. Leur aspect général est identiques aux électrochimiques, leur différence est visible à leur marquage NON POLARISE ou encore NP, ils peuvent également comporter un anneau de couleur rouge à chacune de leurs extrémités ou encore le symbole ~ (alternatif).

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Emploi : réservé pour des tensions alternatives, antiparasites, démarrage moteur, filtre, lissage… Inconvénients : identique au condensateur polarisé. Figure 16: Condensateurs électrochimiques non polarisés

2.2.7.2. Maintenance des condensateurs électrochimiques Ces composants sont donc soumis a l’usure, en particulier, s’ils fonctionnent a haute fréquence, leur remplacement systématique est donc a prévoir régulièrement (au moins tous les 5 ans) particulièrement, s’ils fonctionnent avec des équipements haute fréquence comme les ponts onduleurs ou les hacheurs.

2.2.7.3. Fonctionnement Il permet le stockage temporaire d’énergie sous la forme électrostatique, et donc la restitution de cette énergie sous la forme d’une tension continue. Dans le cas des redresseurs, pendant la conduction des thyristors (ou des diodes), la tension au bornes du pont redresseur est supérieure a la tension au borne du condensateur qui va alors se charger (a ce moment, le pont redresseur fourni l’énergie), lorsque la conduction des thyristors s’arrête, la tension au bornes du pont redresseur devient inférieure a la tension au borne du condensateur et celui-ci va restituer l’énergie accumulée sous la forme d’une tension continue et compenser la baisse de tension due a l’arrêt de conduction (a ce moment, ce n’est plus le pont mais le condensateur qui fourni l’énergie). C’est, en fait, le composant qui s’occupe du Filtrage de la tension continu c'est-à-dire de la réduction ou l’élimination de l’ondulation de tension existante dans tous les systèmes de redressement pour obtenir une tension parfaitement continu. La capacité du condensateur (C) dépend, principalement, de la surface commune aux 2 électrodes conductrices (A), de la distance séparant les électrodes (épaisseur du diélectrique) (d) et de la perméabilité relative du diélectrique (εr), elle est exprimée en farad (F), elle ne dépend donc que de la conception du condensateur C = (ε0 x εr x A) / d. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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La quantité d’énergie accumulable dépend de la valeur de la capacité C du condensateur et de la tension nominale à ces bornes W electrostat = ½ x C x U2. La tension aux bornes du condensateur augmente ou diminue en fonction du courant de charge ou de décharge qui lui est imposé et du temps de circulation de ce courant, lorsque la tension du condensateur devient égale a la tension d’alimentation le courant devient nul et le condensateur conserve la tension à ses bornes au moment de l’arrêt de circulation. Le temps de charge et de décharge dépend de l’impédance du circuit qui est généralement composée de la capacité du condensateur et de la résistance du circuit, cela donne une constante de temps Τ (s) = R x C. La quantité d’énergie stockée dépend du courant et du temps de circulation. La mise en parallèle de plusieurs condensateurs permet l’addition de leur capacité respective et donc l’augmentation de la capacité équivalente (contrairement aux résistances pour lesquelles c’est la mise en série qui permet une augmentation). Paramètre de choix d’un condensateur Capacité nominale C (Farad) Tension de service V (volt) Condensateur polarisé ou non

2.2.7.4. Mesure et vérification d’un condensateur Possible à l’ohmmètre ; permet de voir si le condensateur est en court-circuit et donc à remplacer. Dans ce cas la valeur mesurée sera 0 ohms, Dans la plupart des cas, si le condensateur n’est pas en court-circuit, la valeur mesurée sera l’infini, dans le cas des condensateurs de grosse capacité, on verra la mesure de résistance augmenter progressivement puis devenir infinie ou hors échelle du multimètre (OL). Sinon, seuls les capacimètres donnent une valeur en Farad pour vérifier le composant. Sa valeur pouvant être mesurée en comparaison avec le « Pont de Sauty ». Il est préférable d’isoler le condensateur pour faire la mesure, sinon un risque d’erreur de mesure liée aux autres composants du circuit est possible.

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2.2.8. Inductance Voir également le cours EXP-MN-SE020 « Formules et composants » Symbole

Figure 17: Symbole(s) de l’inductance Technologie Les inductances sont généralement fabriquées spécialement pour chaque cas d’application. Le fil de la bobine peut être enroulé sur un noyau magnétique ou sur un support vide (bobine à air), le noyau magnétique peut former un circuit magnétique fermé ou ouvert suivant l’utilisation. La modification du circuit magnétique, notamment, par le déplacement du noyau modifie la valeur de l’inductance propre ‘L’. Fonctionnement Il permet le stockage temporaire d’énergie sous la forme électromagnétique, et donc la restitution de cette énergie sous la forme d’un courant continu. Dans le cas des redresseurs, pendant la conduction des thyristors, il y a une circulation de courant dans la bobine de l’inductance qui va alors se charger en énergie magnétique dans le noyau en créant des lignes de flux magnétique (a ce moment, le pont redresseur fourni l’énergie), lorsque la conduction des thyristors s’arrête, le courant dans la bobines de l’induction diminue entraînant une variation (diminution) du flux dans son noyau, cette variation de flux va créer une tension induite dans la bobine et cette tension va générer un courant dans le circuit, l’inductance va donc restituer l’énergie magnétique accumulée (flux) sous la forme d’un courant continu et compenser la baisse de courant due a l’arrêt de conduction (a ce moment, ce n’est plus le pont mais l’induction qui fourni l’énergie). C’est, en fait, le composant qui s’occupe du Filtrage du courant continu c'est-à-dire de la réduction ou l’élimination de l’ondulation de courant existante dans tous les systèmes de redressement pour obtenir un courant parfaitement continu. La capacité de l’inductance à stocker de l’énergie magnétique (L) dépend, principalement, du nombre de spires (N), de la surface du corps de la bobine (A), de la longueur du circuit magnétique (l) et de la perméabilité relative du noyau (μr), elle est exprimée en henry (H), Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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elle ne dépend donc que de la conception de l’inductance et en particulier du matériel utilisé pour le noyau car plus la perméabilité est grande et plus l’inductance peut emmagasiner de l’énergie magnétique L = (N2 x μ0 x μr x A) / l. La quantité d’énergie accumulable dépend du circuit magnétique de l’inductance et du courant nominal. Le courant dans l’inductance augmente ou diminue en fonction du courant de charge ou de décharge qui lui est imposé et du temps de circulation de ce courant, lorsque le courant devient constant (courant maximal du circuit), l’inductance se comporte comme un courtcircuit, son impédance est égale a 0 donc la tension a ces bornes est égale a zéro, le courant est alors limité par la résistance du circuit. Le temps de charge et de décharge dépend de l’impédance du circuit qui est généralement composée de l’inductance et de la résistance du circuit, cela donne une constante de temps Τ (s) = L / R. La quantité d’énergie stockée dépend du courant et du temps de circulation. La mise en série de plusieurs inductances permet l’addition de leur valeur d’inductance respective et donc l’augmentation de l’inductance équivalente. Mesure et vérification d’une inductance : Possible au milliohmmètre, on mesure la résistance du fil de la bobine qui très faible. Paramètre de choix d’une inductance Inductance propre L (Henry) Courant maximal A (Ampère) Descriptions du circuit magnétique

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3. REDRESSEUR – CHARGEUR DE BATTERIES Voir également les cours EXP-MN-010 « l’électricité- généralités » et EXP-PR-UT010 « l’électricité »

3.1. DIFFERENCE / FONCTION / ROLE 3.1.1. Redresseur Le rôle d’un redresseur est de convertir l’énergie électrique alternative en énergie électrique continue tout en adaptant le niveau de tension à la tension requise par le process (24, 48 ou 110 / 127 volts courant continu en général).

3.1.2. Chargeur de batteries Le chargeur de batterie est un « redresseur » qui est en plus équipé d’une batterie (ou d’un jeu de batteries). Son rôle est donc toujours de convertir l’énergie électrique alternative en énergie électrique continue tout en adaptant le niveau de tension à la tension requise par le process (24, 48 ou 110 /127 volts courant continu en général). Le chargeur (la sortie courant continu bien entendu), la batterie, l’utilisation sont connectés ensemble, en « floating ». Ce qui permet aussi d’assurer la protection des utilisateurs contre les microcoupures, les coupures d’alimentation électrique et conserver de la tension d’alimentation pendant une durée déterminée, en cas de coupure de longue durée, grâce a la réserve d’énergie procurée par la batterie. La durée de maintien de la tension d’alimentation dépendant de l’état de charge et d’usure de la batterie.

3.2. REDRESSEMENT NON COMMANDE Donc, (à priori) avec diodes Le redressement non commandé se caractérise par l’utilisation de diodes uniquement, le réglage de la tension de sortie n’est possible que par le réglage du rapport de transformation du transformateur en amont, ou par la présence de régulateur de tension, ou de hacheur en aval.

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3.2.1. Redressement monophasé simple alternance C’est le redressement le plus simple, la diode conduit uniquement lorsque l’alternance est positive, car VD1 > 0 donc la tension VD1 = 0.6 Volts environ un courant circule dans la charge R1 et la tension au borne de celle-ci est égale a VR1 = U (oscillogramme) = V sortie transfo – VD1 (0.6 V) ≈ V sortie transfo. Pendant l’alternance négative, VD1 < 0 donc la diode est bloqué il n’y a pas de courant dans R1 et la tension VD1 = V sortie transfo donc la tension au borne de la charge VR1 = V sortie transfo – VD1 = 0 volts.

Figure 18: Schéma redressement mono simple alternance

Figure 19: Oscillogramme tension entrée et sortie redressement simple alternance Cas d’une charge fortement inductive et nécessité d’une diode de roue libre Lorsque la charge est inductive, le courant ne s’annule pas systématiquement lorsque l’alternance devient négative, la diode continue donc de conduire jusqu'à annulation du courant, pendant sa conduction sa tension reste égale a 0.6 volts et la tension de la charge toujours égale a la tension sortie transfo, devient négative. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Ce phénomène n’existe pas dans les montages triphasés simple alternance non commandé, car la conduction du courant de charge est automatiquement prise en charge par la phase suivante, ainsi que dans les ponts de Graetz mono ou triphasé non commandé ou mixte (thyristors et diodes), car ce type de montage inclus naturellement 2 diodes (ou 1 diode et un thyristor en conduction) montés en série et en parallèle avec la charge qui servent naturellement de diode de roue libre pour la circulation du courant et permettant d’éliminer la tension négative aux bornes de la charges (on aura uniquement la somme des tensions de seuil soit environ 1.2 Volts).

Figure 20: Oscillogramme redressement simple alternance sur charge inductive Par contre, on peut retrouver ce phénomène dans les montages commandés complets (tout thyristor) mono ou triphasé. Pour remédier a cela on trouve souvent une diode montée en parallèle avec le pont redresseur, cette diode est normalement appelée diode de roue libre, elle assure la circulation du courant dans la charge lorsque les thyristors du pont redresseur ne conduisent plus. Figure 21: Schéma pont redresseur avec diode de roue libre

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Performance (du redressement simple alternance) On constate dans ce type de redressement qu’il y a une ondulation par période et que la valeur moyenne de la tension redressé est considérablement diminué par l’absence de tension pendant une demi période et que l’ondulation de la tension continu de sortie est importante taux d’ondulation égal a 3.14. Calcul de tension continue moyenne et efficace V sortie transfo max = V sortie transfo efficace x √2 = Vmax VR1moyen = Vmax / π = 0.32 x Vmax ou 0.32 x Veff x √2

3.2.2. Redressement monophasé double alternance a pont de Graetz

Figure 22: Schéma redressement mono double alternance

Figure 23: Oscillogramme tension entrée et sortie redressement mono double alternance Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Pendant l’alternance positive, les tensions VD1 et VD4 sont >0 les diodes D1 et D4 sont donc passantes et leur tension est égale a 0.6 volts environ, les tensions VD2 et VD3 sont 0 les diodes D2 et D3 sont donc passantes et leur tension est égale a 0.6 volts environ, les tensions VD1 et VD4 sont = Vˆ

3.4.2. Lissage / Filtrage par inductance

Figure 50: Lissage par inductance

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Observation : L’ondulation du courant est diminuée. Le courant ne passe plus par zéro. C’est le régime de conduction ininterrompue. Le lissage du courant par une inductance est utilisé pour de forts débits en électronique de puissance. Remarque : Si l’inductance est assez grande, on peut considérer le lissage comme parfait : le courant i est constant. Loi des mailles :

u = u L + uc

On passe aux valeurs moyennes : avec

uL = 0 toujours

Finalement :

et donc

u = uL + uc

u = uc = Ri

u 2Vˆ i= = R πR

Figure 51: Lissage par « grande » inductance

3.4.3. Lissage / Filtrage mixte condensateur et inductance Lorsque le fonctionnement des appareils exige un lissage très fin (par exemple en radio, pour un chargeur,…) on a recourt à ce type de lissage. Le premier condensateur (coté redresseur) lisse la tension d'entrée entre les alternances La self lisse le courant pendant la charge Le deuxième condensateur (coté récepteur) égalise le flux électronique. Figure 52: Lissage par condensateur + inductance Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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4. LE CHARGEUR ET LES DIFFERENTS MODES DE CHARGE Ce chapitre est repris (en grande partie) du cours EXP-PR-EQ160 « Les batteries ». Étant donné que sur site, la principale application des chargeurs, redresseurs, onduleurs est associée aux ASI et donc aux racks de batteries, il vaut mieux insister sur ce point et c’est pourquoi le chapitre du cours « batteries » est « réitéré » ici L’utilisation de mauvaises techniques de charge détruit plus de batteries que toutes les autres causes réunies. Les batteries sont en général détruites du fait d’une surcharge, c’est à dire en réalité d’un courant excessif. En contrôlant et en limitant le courant, une fois les batteries chargées, il ne devrait plus y avoir de problèmes. Les instructions de maintenance et d’utilisation s’en tiennent à la tension de floating pour la charge des batteries mais la valeur de cette tension varie avec le temps, à mesure que les batteries vieillissent. L’élément le plus important est le « courant de floating », qui doit être minimum selon les recommandations des fabricants et jamais supérieur à 1/100 C (*). Bien entendu, ce courant de floating est déterminé et ajusté par la tension qui correspond à la tension de floating. (*) C est la capacité de la batterie ou du groupe de batteries en série ; par exemple, pour 100 Ah, le courant de floating ne doit jamais être supérieur à 1 ampère. Ici encore, il s’agit d’une valeur à vérifier sur la fiche technique des batteries, elle devrait être inférieure (très vraisemblablement). La température est le dernier grand facteur à vérifier. Si la batterie chauffe, c’est qu’il y a un problème. Vous trouverez plus d’informations dans la section concernant les durées de charge.

4.1. LE CHARGEUR DE BATTERIE 4.1.1. Description et principe de fonctionnement Voici la technologie de base généralement répandue. Il existe bien entendu sur le marché des chargeurs d’accumulateurs simples, nous parlons ici de nos équipements sur site.

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Figure 53 : Chargeur de batterie Le circuit de puissance comprend : Un transformateur principal. Un transducteur qui contrôle le flux du chargeur, selon un faible courant continu de contrôle. Un pont de diode simple-phase. Une batterie ou ensemble d’éléments en série et parallèle. Le circuit de régulation comprend : Un régulateur de tension avec un transistor qui régule la tension de charge à ± 1 % (au moins) de la valeur nominale. Un régulateur de courant à transistors, qui limite le courant du chargeur et son courant nominal. Le régulateur de tension fonctionne comme suit : pour une hausse de la tension de la batterie, le flux du chargeur décroît pour abaisser la tension de la batterie, en faisant baisser le courant de contrôle qui circule dans le transducteur.

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Le transducteur est constitué de 2 circuits magnétiques : Une bobine CA (travail). Une bobine CC (contrôle). Leur fonctionnement repose sur le principe suivant : il est possible d’agir sur l’impédance d’une bobine en superposant au flux alternatif un flux continu de contrôle. Le régulateur de courant se met en marche lorsque le flux du chargeur dépasse la valeur nominale. Une hausse du flux limite le courant de contrôle du transducteur. Contrôle automatique du chargeur d’accumulateurs : Le contrôle automatique du chargeur d’accumulateurs se fait comme suit : Perte de la tension de charge : 24, 48, 60, 110 ou xxx volts. Fusion des fusibles du circuit CC de protection. Perte du courant CA. Défaut de terre côté CA ou CC.

4.1.2. Système mixte On entend par système mixte : la Alimentation charge globale du bloc chargeur d’accumulateurs + groupe de en CA batteries doit être alimentée soit par le chargeur d’accumulateurs seul soit par le groupe de batteries seul. (Le chargeur doit donc – en gros – avoir une double capacité pour distribuer et charger)

Redresseur Régulateur Distribution de la charge

= Groupe de batteries

Figure 54 : Système mixte Description Ce système d’alimentation DC est conçu pour fournir une alimentation électrique CC (Distribution en charge) protégée des incidents survenant sur l’alimentation CA publique ou normale. L’alimentation CA sert à alimenter un redresseur afin de stocker de l’énergie dans une batterie qui servira en cas de panne électrique. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Le dispositif est constitué de 2 systèmes indépendants, alimentation CA et distribution en charge CC avec (en général) un tableau de distribution commun. Chaque demi-système est constitué de 2 parties principales (Cf. figure « tension fournie par le chargeur » représentant l’ensemble), le Redresseur/ Chargeur et la batterie.

Tension fournie par la batterie Tension

Tension fournie par le chargeur Tension

T

Amplitude la plus petite (possible) T

Figure 55 : Tension fournie par la batterie et par le chargeur L’alimentation CC du chargeur vise à fournir un CC de la meilleure qualité, selon la qualité du redresseur ou des filtres, lorsque la tension et le courant fournis pas la batterie sont eux-mêmes de la meilleure qualité de CC. Redresseur/Chargeur : Il convertit l’alimentation primaire CA en une tension CC stabilisée, qui charge la batterie, alimente la charge (ou inverseur dans un système d’ASI). Le chargeur d’accumulateurs doit être calculé pour permettre d’alimenter la charge totale seule ET de charger la batterie. Il fonctionne selon les méthodes de redressement vues au chapitre précédent, ceci pour alimenter à la fois les batteries et la charge. Sur certains sites (où la charge a été augmentée – au fil du temps et des modifications), après une coupure, la capacité du chargeur d’accumulateurs se trouve à sa limite et rencontre des difficultés à assumer cette double fonction.

4.1.3. Modes de fonctionnement Trois modes possibles de fonctionnement : Mode floating. Mode dégradé d’alimentation CA. Charge et mode alimentation de charge. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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4.1.3.1. Mode Floating Au risque de « rabâcher », quels que soient les avertissements stricts du fabricant ou les pratiques dictées par l’expérience de l’électricien, ce n’est pas la « tension de floating » qui importe le plus, c’est le « courant de floating ». Le courant est fonction de la tension (I = U / Z) et c’est un courant trop important qui « détruit » la batterie ! Cela concerne les batteries employées sur site (Plomb/Plomb et Ni-Cd), les batteries au lithium n’ont pas besoin de floating ! Aujourd’hui, le système de contrôle du chargeur d’accumulateurs est adapté au type de batteries et régule en conséquence, mais…. le mode de floating est le mode normal. C’est un mode de charge à tension et courant constants, dans lequel le courant de charge tend vers zéro à mesure que la batterie s’approche de la charge totale. Redresseur Régulateur

Figure 56 : Mode floating La tension choisie est la Alimentation valeur pour laquelle les en CA pertes internes sont compensées par le courant de charge dans une batterie chargée. La batterie est maintenue en pleine charge avec un courant de maintien qui reste en deçà des valeurs de dégagement gazeux values pour garantir une perte d’électrolyte négligeable.

=

Toute la charge de la distribution est assurée par le chargeur Courant de floating < 0.01 de la Capacité Groupe de batteries

4.1.3.2. Mode panne d’alimentation CA Redresseur Régulateur Alimentation en CA

Toute la charge de la distribution est assurée par la batterie

= Panne d’alimentation CA ou panne du chargeur / redresseur Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

Groupe de batteries

Lorsque l’alimentation du chargeur est interrompue, le chargeur s’arrête et sans commutation ou intervention de l’opérateur, la batterie alimente la charge. Figure 57 : Mode panne d’alimentation CA Page 54 de 192

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4.1.3.3. Mode charge et alimentation de charge Sélectionné automatiquement lors de la restauration de l’alimentation CA. Une tension constante, légèrement supérieure à la Toute la charge de la tension nominale, est distribution est assurée appliquée pour recharger par la batterie une batterie à plat selon le principe vu dans le Charge de la batterie paragraphe suivant (Rapide, accéléré, courant en rapide, normal, constant, tension accéléré, etc… constante, etc.) et à la fois alimenter la charge.

Redresseur Régulateur Alimentation en CA

= Groupe de batteries

Figure 58 : Mode charge et alimentation de distribution Voilà pourquoi il faut un chargeur « intelligent », qui peut contrôler la tension, le courant, les durées et le type de charge en fonction de la batterie (et de la distribution).

4.1.3.4. Groupe de batteries Il stocke l’énergie délivrée par le chargeur afin de prendre le relais pour alimenter la distribution en cas de coupure de l’alimentation principale. L’autonomie du système en cas de panne réseau dépend de la capacité en Ah de ce groupe de batteries.

Tension de floating

Figure 59 : Groupe de batteries

Panne de l’alim. ou panne du chargeur Retour du Chargeur ?

Tension faible = Alarme Tension trop faible = Déclenchement

T

4.1.3.5. Ventilation et extraction Que ce soit le coffret / armoire du chargeur ou pour le groupe de batteries (dans une salle spécifique), la température est contrôlée par ventilation / extraction. Sur les armoires chargeur/batteries toutes les ouvertures de ventilation doivent être libres de toute entrave et propres. Ces systèmes peuvent travailler (normalement) dans un même environnement dans une gamme de températures de 0 to 40 °C, mais la température ambiante idéale devrait être inférieure à 25 °C. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Cette valeur de 20/25°C est plus que conseillée pour les batteries gel étanches, très sensibles aux températures élevées (perte de capacité). La chaleur de la salle chargeur / batteries peut être extraite par un système de ventilation et refroidissement forcé ou encore par un système à air conditionné. C’est la raison pour laquelle vous pourrez trouver des systèmes à air conditionné très performants dans les salles de chargeur d’accumulateurs et d’ASI. Le taux de changement d’air par heure dépend du niveau du système, de la perte de chaleur et de la température d’air de refroidissement.

4.2. COMMENT CHARGER ACCUMULATEURS OU BATTERIES Nous abordons maintenant la partie la plus importante : la charge. Nous verrons ci-après chaque méthode de charge pour les batteries à :: technologie Plomb, technologie Ni-Cd, technologie Ni-MH, technologie Lithium, autres technologies. Et nous verrons en outre des sujets spécifiques tels que : Pic delta -dV/dt -DV de quoi s’agit-il ? Capacité réelle : la capacité d’un accumulateur change selon l’utilisation qui en est faite. Quelle est dans ce cas la signification de la capacité indiquée sur la plaque signalétique ?

4.2.1. Charge des batteries plomb acide Cette partie est commune aux batteries ouvertes ou étanches, à électrolyte aqueux ou gel. Rappel théorique Avec les accumulateurs au plomb, toutes les valeurs de références (de fin de charge et de décharge) concernent la tension. On parle de 2 V pour valeur de référence d’une batterie plomb/plomb, mais il ne s’agit pas exactement de 2 V. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Toutes les valeurs déclinées ci-dessous, peuvent être employées, même si elles ne sont pas réellement optimisées par rapport aux indications et recommandations des fabricants. Ces valeurs concernent tous les types de batteries plomb-plomb à électrolytes VRLA, AGM, aqueux, gel, etc., ouvertes ou étanches. Tension de référence : Tension d’un élément chargé en circuit ouvert à 25 °C : 2,1 V. Pour les batteries 12 V classiques, ce devrait être 12,6 V. C’est la valeur que vous devriez lire sur un voltmètre placé entre l’électrode d’une batterie chargée pendant toute la nuit et en circuit ouvert. Tension de floating : Tension pouvant être appliquée en permanence sur les électrodes afin de garantir que la batterie est toujours complètement chargée : 2,25 à 2,28 V par élément à 25 °C. Cette valeur doit être corrigée de + ou - 0,005 V par degré Celsius selon la température ambiante. Exemple : à +10 °C, la tension de floating par élément est de 2,36 V (2.28 + 0.005x15) et à +40 °C, elle est de 2,21 V (2.28 - 0.005x15) (valeurs à vérifier sur les fiches techniques des fabricants). Pour la batterie 12 V, ce sera donc : 14,2 V à +10 °C et 13,2 V à +40 °C. Tension de charge : Tension maximum qui peut être appliquée sur les bornes d’une batterie de façon non permanente : 2,3 à 2,4 V par élément à 25 °C avec toujours le même coefficient de correction (0,005 C/°C) : de 13,8 V à 14,4 V pour la batterie 12 V à 25 °C. Attention : cette tension de charge est la valeur maximum en tension continue et si le chargeur est de qualité moyenne ou médiocre, certains harmoniques ou ondes pourraient s’ajouter du fait d’un mauvais filtrage. C’est alors la tension de pic que « voit » la batterie, et elle « n’apprécie » pas trop …. Courant de charge : Une valeur facile à retenir est celle de 1/5 de la capacité nominale en 20 heures. Par conséquent, pour la batterie 12 V/7 Ah, ce courant (maximum) est de 1,4 A. En réalité, si l’on consulte la fiche technique des fabricants, on mentionne en général 1,7 A pour 7 Ah et 20 A pour 85 Ah, soit un peu plus que 1/5 C. En cas de doute, tenez-vous en à 1/5 : la batterie ne sera pas en sous - charge, mais il faudra (peut-être) un peu plus de temps. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Enfin, en pratique : Vous pouvez déduire que votre chargeur d’accumulateurs dépend de 2 paramètres : le courant de charge maximum et la fin de tension de charge. 2 méthodes de charge sont ainsi possibles : charge en 2 étapes ou en 3 étapes.

4.2.1.1. Charge des batteries au plomb en 2 étapes Dans la zone 1, le courant est limité au courant de charge maximum, C/5 (ou donnée fabricant).

Figure 60 : Charge des batteries au plomb en 2 étapes Dès que la tension atteint 2,12 V (12,7 V pour la batterie 12 V), la charge passe en limitation de tension. Il y a alors 2 solutions : la batterie est connectée en permanence au chargeur (système ASI) et la tension limitée est la tension de floating : 2,26 V (13,6 V pour la batterie 12 V), offrant une capacité d’environ 95 % (après les 20 heures de charge). la batterie doit être utilisée de façon autonome immédiatement, la tension doit présenter la valeur de tension de charge : 2,35 V (14,1 V pour la batterie 12 V). La batterie sera bien entendu complètement chargée après le délai normal de 20 h. Dans les 2 cas, après ces 20 heures, le courant de charge doit être limité à 1/100 de la capacité.

4.2.1.2. Charge des batteries au plomb en 3 étapes Dans la zone 1, le courant est limité au courant maximum de charge, C/5 (ou donnée fabricant). Dans la zone 2, la tension de charge est « opérationnelle ». Dans la zone 3, la tension passe à la valeur de tension de floating. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Figure 61 : Charge des batteries au plomb en 3 étapes Cette méthode en 3 étapes permet à la batterie d’être chargée à 100 % dans le délai « normal » de charge de 20 heures et de maintenir ensuite sa pleine capacité en floating. C’est le type de charge employé dans les systèmes ASI / onduleurs. Conseil : le chargeur de batterie bon marché du supermarché du coin (à 15 Euros !) va tuer votre batterie de voiture et accessoirement la charger (avec un peu de chance). Cette « chose » est seulement constituée d’un transformateur et d’un pont de diode. L’ajustement tension/courant se fait par commutation de certaines bobines du transformateur. Il n’y a pas de filtre et la tension de crête est bien supérieure à la valeur maximum de charge. Sur site : faites simplement la somme du nombre d’éléments en série pour obtenir la valeur de tension de charge et de floating, sans oublier de décompter les éléments morts ici ou là (ceux que vous avez trouvés et court-circuités pendant la maintenance). Dans tous les cas, après une charge de 2 jours des batteries, le courant de floating doit être < 0,01C.

4.2.2. Charge des batteries nickel-cadmium Comme pour les batteries au plomb, ceci s’applique à tous les types de batteries Ni-Cd, sèches ou liquides, étanches ou ouvertes à électrolyte gel ou aqueux.

4.2.2.1. Charge normale Elle se fait à courant constant de 1/10 de capacité sous une tension au moins égale à 1,45 V par élément. Le courant doit être maintenu pendant au moins 14 heures si la batterie était totalement déchargée au début de la charge. Pendant la charge, la tension croît d’abord rapidement, puis lentement pour atteindre 1,4 V par élément. La charge est alors terminée. Si la batterie reste sous charge avec le même courant, il y aura surcharge. La tension commence à décroître, la batterie ne stocke pas plus d’énergie mais libère de la chaleur puis elle produit de l’hydrogène et de l’oxygène. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Après 14 heures de charge (normale) et toujours à 0,1 In, la batterie commence à se détruire. Figure 62 : Charge normale des batteries nickel - cadmium Le meilleur moyen de reconnaître la fin de charge consiste à détecter le facteur dV/dt (Cf. paragraphe suivant), qui indique l’instant auquel la batterie a atteint sa tension maximum, tension qui commence alors à décroître. Cette détection du dV/dt est obligatoire pour les autres méthodes de charge rapide et de charge accélérée, ci-après. Autre solution pratique : détection de la fin théorique d’une tension charge de 1,4V par élément

4.2.2.2. Charge accélérée Se fait à 1/5 de la capacité pendant 6 à 7 heures maximum. La surcharge ne doit pas excéder 40 minutes car au-delà, la batterie commence à se détruire. Charge de bonne qualité mais, bien entendu, moins efficace que la charge normale.

4.2.2.3. Charge rapide Se fait à la capacité de la batterie pendant 1 heure maximum ; surcharge strictement « interdite » à ce taux de charge. Attention : toutes les batteries Ni-Cd ne permettent pas ce type de charge. Pour la charge rapide (et pour la charge accélérée), le chargeur doit être équipé d’un détecteur de fin de charge (système dV/dt) qui indique l’instant où la tension commence à décroître. Par ailleurs, la batterie doit être complètement déchargée au début de la charge.

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4.2.2.4. Charge permanente Se fait à 1/20 de la capacité sans limitation de durée (moins d’une semaine toutefois !). La batterie se charge mais ne chauffe pas après la fin de charge, du fait du « faible » courant.

4.2.2.5. Courant de maintien Ou courant de floating Une fois la charge finie, l’application d’un courant de 1/100 de la capacité (comme pour les batteries au plomb) maintient la batterie à pleine capacité de façon indéfinie. Ce courant ne charge pas la batterie, il compense simplement la perte naturelle d’énergie qui s’élève (sans ce courant de 0,01C) à 99 % de la capacité après 10 jours et 90 % après 1 mois. La tension doit être ajustée et régulée pour obtenir ce courant de 0,01C (maximum).

4.2.2.6. Méthode industrielle de charge C’est la méthode employée pour les ASI et chargeur d’accumulateurs sur site. C’est une combinaison de charge rapide ou accélérée avec une charge permanente à la fin du cycle. La détection du dV/dt (point 3 de la courbe ci-dessous) déclenche le courant de charge de 1/20 de la capacité pendant plusieurs heures. Les chargeurs industriels sont équipés de tous les dispositifs de sécurité nécessaires pour la détection de tension, courant, température et délai. Et sur site : même remarque que pour les batteries au plomb, vérifier le courant de charge de votre ASI de groupe de chargeurs d’accumulateurs. Le courant dans les conditions normales et stabilisées doit être < 0,01C batteries. La tension de floating est de 1,4 V par élément et vous devez connaître le nombre d’éléments (en bonnes conditions) en série. Le courant de charge est lisible sur l’ampèremètre de la porte de l’armoire… Si vous notez une valeur de courant anormalement élevée... faites quelque chose…, si vous ne savez pas quoi faire, parlez-en au chef, mais ne faites pas l’aveugle, c’est vous qui devrez remplacer les batteries qui auront « explosées » et c’est vous qui de toute façon devrez faire les réglages de floating…. (Pas le chef)

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Figure 63 : Courbe de charge combinée Ni-Cd (1) Délai à la détection de fin de charge pour éviter le déclenchement au début de la charge. (2) Détection de 1,95 V maxi. par élément. (4) Limitation de courant de charge si la tension est inférieure à 0,8 V par élément. (8) Délai limitant la charge rapide ou accélérée à 150 % de la capacité. (9) Capteur de température de contrôle des éléments. Les éléments doivent être équipés de ces dispositifs.

4.2.3. Charge des batteries nickel métal hydrure Comme les accumulateurs Ni-Cd, la Ni-MH se charge à courant constant. La différence réside dans les variations de tensions à la fin de charge. La Ni-MH présente des variations d’amplitude bien moindres et la détection de dV/dt à 0,1 C en est ainsi quasiment impossible. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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La détection de dV2/dt2 (inflexion de la courbe de charge à la fin de charge) est nécessaire. Il est impossible de détecter la tension avec une précision suffisante et la charge à 0,1C n’est pas facile à obtenir du fait de cette particularité de fin de charge « douce ». Figure 64 : Courbe de charge des batteries nickel métal hydrure

Figure 65 : Exemple de système de charge rapide pour Ni-MH (1) Courant de charge rapide : doit se situer entre 0,5 et 1 C (In). Au-dessus de In, il se produit une surchauffe et un dégagement gazeux, (2) Courant de pré - charge : de 0,2 à 0,3 In, dans le cas d’une tension inférieure à 0,8 V par élément. (3) Démarrage d’une charge rapide lorsque la tension atteint 0,8 V. (4) Détection de la tension maximum à 1,8 V par élément. (5) Détection de dV/dt pour passer au courant de charge permanente : 5 mV < -dV < 10 mV par élément. (6) Détection de dT/dt lors du passage au courant de charge permanente : 1 à 2°C/min. (7) Détection de la température maximale, 50 à 60 °C selon les fabricants. (8) Délai de 10 min pour inhiber la détection dV/dt au début de la charge. (9) Courant de charge permanente de 1/30 à 1/20 de In. (10) Délai de précharge : 60 minutes. (11) Durée de charge rapide : 90 minutes. (12) Durée totale : 10 à 20 heures.

La construction de chargeurs Ni-MH met en œuvre une méthode spécifique employant plusieurs paliers dans la charge, qui commencent par une charge rapide de 0,5 à 1 C. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Avec un tel courant, la courbe de charge produit à la fin de la charge une légère inflexion qui permet ainsi la détection du facteur dV/dt. Dès que cet instant est détecté, le courant baisse jusqu’à 1/30 de C pour finir la charge par une charge de maintien. Attention, les batteries Ni-MH n’apprécient pas les surcharges et la détection de fin de charge est très importante. Il est plus que recommandable d’intégrer une minuterie pour limiter la charge à 90 minutes, avec un contrôle de température permettant d’éviter la surchauffe.

4.2.4. Charge des piles au lithium La tension des accumulateurs au lithium est de 3,6 V pour la vieille technologie Li-ion et de 3,7V pour les nouvelles technologies Li-Po et Li-ion. Quelle que soit la technologie (LiPo, Li-ion), le principe de charge est le même : La charge est à tension constante et à courant limité. Il y a 2 particularités concernant la charge des éléments au lithium : Ils ne supportent pas les surcharges, aussi petites soient-elles La tension de charge doit être respectée, sinon il n’y a pas de charge ! Le saut de tension est très petit pour charger les batteries au lithium et nécessite une valeur très stricte. Les 2 technologies Li-ion (ancienne) et Li-Po + Li-ion (nouvelle) ont des tensions de référence proches mais sont différentes ; leurs chargeurs ne sont en outre pas interchangeables! Tension de charge : Tension de référence : 3,6 V - Tension de charge : 4,1 V par élément. Tension de référence : 3,7 V - Tension de charge : 4,2 V par élément. Tolérance de +/- 0,05 V par élément. Courant de charge limité entre C/2 et 1C ; durée de charge entre 2 et 3 heures Certains fabricants prétendent charger les batteries lithium en 1 heure, mais, en 1 heure, la charge n’en est qu’à 75 % de la capacité. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Courbe de charge: figure « courbe de charge des batteries au lithium »

Figure 66 : Courbe de charge des batteries au lithium Au début de la charge, le courant est limité et la tension croît lentement jusqu’à la tension maximum de charge (4,1 ou 4,2 V). Au cours de la deuxième phase (de ‘remplissage’), la tension reste parfaitement stable et le courant décroît. La charge est finie dès lors que le courant passe au-dessous de 0,03 C. La charge doit alors être arrêtée, autrement les éléments seraient détruits. Une batterie au lithium surchargée génère de l’hydrogène, outre une hausse de pression et de température, ce qui peut conduire à une explosion. Les batteries Li-ion sont en général protégées par des dispositifs internes, contrairement au Li-Po, qui, si elles ne sont pas sujettes aux explosions, peuvent prendre feu... Si vous constatez une surchauffe : coupez le courant !!! Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Derniers conseils de charge Ne pas augmenter le courant de charge pour diminuer la durée de charge. Si cela permet d’aller plus vite au point 2, la phase de « remplissage » en sera plus longue et un courant de charge élevé va écourter la durée de vie de la batterie. Il est plus recommandable de rester au taux de charge de C/2. Ne pas appliquer un faible courant de charge (ou courant de maintien). Cela crée un dépôt de lithium sur les électrodes et conduit à des conditions instables. Pour compenser l’autodécharge, il est conseillé de charger brièvement la batterie à intervalles de 500 heures. Cette recharge doit également se terminer à 0,03C. Risques liés à la charge de batteries Li-Po en série. Ce type de batteries pourrait ne pas présenter exactement la même tension et un élément au sein d’un bloc en série pourrait être réactif à une tension de charge inadaptée. Pas de courant de maintien, Pas de tension (ou de courant) de floating Chargé = déconnecté

4.2.5. Charge des piles alcalines

Figure 67 : Profil typique courant/tension pour les batteries rechargeables alcalines

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Il faudrait plutôt dire « accumulateurs alcalins » car le mot « accumulateur » implique automatiquement la notion « rechargeable » tandis que le mot « pile » est ambigu dans la langue française et figure généralement un « élément » non rechargeable D’autant plus que la majorité des piles alcalines sont non rechargeables…. Tension de charge limitée à 1,7 V. Courant de charge limité à C/15. Durée de charge d’environ 10 heures. Tension minimum de décharge : 1,25 V. Voir la documentation du fabricant « Rayovac ' à ce sujet. Figure 68 : Exemples de piles alcalines rechargeables

4.2.6. Pic delta-dV/dt - dV Ce phénomène ne concerne que les batteries Ni-Cd et Ni-MH. Une batterie Ni-Cd ou Ni-MH est chargée lorsque la dérivée de la tension devient nulle (la dérivée d’une courbe est la tangente de cette même courbe en un certain point).

Figure 69 : Dérivée de la tension Avant la fin de la charge, la tension croît et sa dérivée est positive. Une fois la batterie chargée, la tension ne croît pas et sa dérivée devient nulle. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Après la charge totale la tension décroît et sa dérivée devient négative. Le principe consiste à détecter ce passage de positif à négatif, la détection du zéro étant le réglage idéal. Les 3 termes « pic delta », -dV/dt et dV sont des interprétations mathématiques du changement d’état dans l’orientation de la courbe.

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5. ONDULEUR Les onduleurs sont les convertisseurs statiques continu / alternatif permettant de fabriquer une source de tension alternative à partir d’une source de tension continue. Figure 70 :.Schéma de principe de l’onduleur. Comme on l’a vu précédemment, un redresseur commandé tout thyristors peut fonctionner en onduleur. Ce type d’onduleur est dit «non autonome » ou encore «assisté » car il ne permet de fixer ni la fréquence ni la valeur efficace des tensions du réseau alternatif dans lequel il débite. On se propose dans ce chapitre d’étudier les onduleurs autonomes. Ces derniers fixent eux-mêmes la fréquence et la valeur efficace de leur tension de sortie.

5.1. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT C'est celui d'un amplificateur symétrique, mais: Le rendement théorique d'un amplificateur de puissance est toujours inférieur à 1, sauf s'il travaille en classe D (régime non linéaire, schéma unipolaire ou bipolaire). Pour réaliser un onduleur, il faut donc travailler en commutation, en approchant la forme sinusoïdale par des signaux rectangulaires dont on ajuste le rapport cyclique. Pour des raisons technologiques, les transistors de puissance sont de type NPN (et non PNP). Sauf à faible puissance, on ne peut donc utiliser le schéma à transistors complémentaires.

5.1.1. Interrupteurs À transistor NPN (ou thyristor si grande puissance), + diode de récupération (indispensable si la charge est inductive). Figure 71 :.Règle de conduction, principe interrupteur K ouvert ⇔ T bloqué ET D en inverse K fermé ⇔ T commandé : - si i > 0 : T conduit - si i < 0 : D conduit Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Pour réaliser un onduleur autonome, il suffit de disposer d’un interrupteur inverseur K et d’une source de tension continue E comme le montre la figure « principe de l’onduleur autonome ». Figure 72 : Principe de l’onduleur autonome. Lorsque K est en position (1), on obtient la circulation du courant comme l’indique la figure le montage de la figure « interrupteur en position (1) » Figure 73: Interrupteur en position (1) Lorsque K est en position (2), on obtient: le courant circulant en sens inverse La figure « tension ud(t) à la sortie de « l’onduleur » donne la forme de ud(t) sur une période complète de fonctionnement. Figure 74: Tension ud(t) à la sortie de l’onduleur. Dans la pratique, comme pour les hacheurs, l’interrupteur K est remplacé par des interrupteurs électroniques, soit les transistors / diodes considérés comme des interrupteurs idéaux (pour explication du principe de fonctionnement).

5.1.2. Montages pratiques

Figure 75: Montage demi pont à deux (gauche) et quatre interrupteurs (droite) Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Deux types de montages sont utilisés : Montages demi - pont à deux interrupteurs : nécessitent un point milieu pour fabriquer une tension alternative à partir d'une tension continue, soit avec un transformateur à point milieu, soit avec une source à point milieu (voir figure -gauche) : Montage en pont à quatre interrupteurs : (K1, K2) et (K3, K4) « bras de commutation » (Voir figure - droite). L’intérêt des montages en pont ou en demi- pont réside dans l’utilisation d’une seule source de tension E. Le montage en pont, bien que plus complexe (4 interrupteurs à commander au lieu de 2) est de plus en plus utilisé du fait que l’on dispose de semiconducteurs de moins en moins onéreux à puissance commutée fixe. Ceci est la théorie de base pour avoir un signal carré Qualité du signal de sortie Le spectre d'un signal rectangulaire inclut une onde fondamentale (rang n = 1, pulsation ω1) et des ondes harmoniques (rang n > 1, pulsation ωn = nω1) d'amplitude plus ou moins importante. Dans ce qui suit, on compare les performances de chaque type d'onduleur au cas idéal (onde sinusoïdale pure de pulsation ω1) en calculant le spectre du signal généré. On cherche à diminuer le plus possible l'amplitude des harmoniques de rang faible car : les harmoniques de rang élevé sont faciles à filtrer : un onduleur est toujours suivi d'un filtre passe-bas. sur charge inductive, ce sont les harmoniques de rang faible qui génèrent les courants les plus importants. La qualité de l'onde de tension obtenue sera évaluée par le THD, ou taux d'harmonique ramené au fondamental (THD idéal = 0%). On pourrait aussi calculer le THD du courant, mais celui-ci dépend également de la charge.

5.1.3. Les différents types d’onduleurs 5.1.3.1. Mutateur (ou onduleur à commande symétrique) Signal Figure 76: Signal du « mutateur » Le THD est très mauvais, de l'ordre de 48%

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Ordre de conduction des semi-conducteurs dans un mutateur en pont : - sur charge résistive : ici les diodes de récupération sont sans objet.

Figure 77: Conduction dans un mutateur en pont, charge résistive - sur charge réactive : charge inductive (R,L) ou circuit résonant (R,L,C). La charge a pour effet de filtrer le courant (filtre passe-bas du premier ou du second ordre). Grossièrement, ne subsiste que le fondamental. L'ordre de commande des interrupteurs entraîne l'ordre de conduction des semi-conducteurs, en appliquant la règle énoncée plus haut.

Figure 78: Conduction dans un mutateur en pont, charge réactive Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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5.1.3.2. Onduleur en créneaux (ou onduleur à commande décalée) Signal : (ß : angle de commande) Figure 79: Signal de l’onduleur en créneaux Le THD dépend de l'angle de commande ß. Comme le montre la courbe ci-dessous, sa valeur minimum est de l'ordre de 24%, pour ß ≈ 27°.

Figure 80: Amplitude des premières harmoniques en fonction de ß

5.1.3.3. Onduleur MLI Onduleur à Modulation de Largeur d'Impulsion (MLI ou PWM : Pulse Width Modulation) ou à Modulation d'Impulsions en Durée (MID). C'est, de loin, l'onduleur le plus performant.

Figure 81: Onduleur MLI

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On montre qu'il est possible, en calculant soigneusement les angles de commutation, d'annuler complètement les harmoniques de rang faible. Cela est assuré dans les onduleurs industriels par un système à microprocesseur dans lequel sont mis en mémoire les valeurs des angles de commutation. En se limitant aux harmoniques de rang faible, le THD est alors voisin de zéro. Exemple : avec seulement deux commutations par quart de période on peut annuler complètement les harmoniques de rang 3 et 5 :

Figure 82: Onduleur MLI – deux commutations pat ¼ de période Contrôle de la tension Pour contrôler la valeur efficace de la tension de sortie de l'onduleur, plusieurs solutions sont possibles : variation de E à l'aide d'un hacheur ou d'un redresseur commandé

E fixe mais angles bi variables pour agir sur le rapport cyclique global donc sur la valeur efficace de la tension de sortie v :

E et bi constants, mais surmodulation HF à rapport cyclique variable a'

Figure 83: Contrôle de la tension – onduleur MLI Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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5.2. ONDULEUR TRIPHASE On considère le schéma de principe de l'onduleur représenté par la figure « schéma de principe de l’onduleur triphasé ». On distingue, d'une part les tensions de branches u10, u20, u30 mesurées par rapport à la borne (-) de la tension UE et d'autre part, les tensions de phases u1, u2, u3 mesurées par rapport à un neutre flottant N. On suppose la charge triphasée symétrique mais d'une manière générale, étant donné que l'onduleur fonctionne de manière autonome, la configuration de la charge est un problème auxiliaire.

Figure 84: Schéma de principe de l'onduleur triphasé Les tensions de branches uk (avec k=1, 2 et 3) peuvent être imposées par une commande appropriée des commutateurs électroniques (contacteurs statiques). On peut alors déterminer les tensions uk à la sortie de l'onduleur. Allure des tensions de branches et de phases Dans le cas le plus simple, elles varient de manière rectangulaire en fonction du temps, comme le montre la figure. Elle représente aussi l'allure des tensions de phases uk.

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Comme on le voit, les tensions de phases uk possèdent une allure par gradins Avec une amplitude égale à 2UE/3. Elles sont décalées de T/3 l'une par rapport à l'autre, où T est la période fondamentale des tensions de l'onduleur triphasé. On parle alors de commande rectangulaire.

Figure 85: Allure des tensions d'un onduleur triphasé pour une commande rectangulaire Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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5.3. APPLICATION-ONDULEUR SUR SITE The hereafter literature concerns the inverter part of an UPS type Excor from Chloride Company, a 220V single phase, 125 A equipment supplying the instrument distribution somewhere on a Total site

5.3.1.1. Presentation The single Phase Pulse Width Modulation (PWM) inverter is an all IGBT transistor Hbridge configuration which drives the inverter transformer at a carrier frequency of 3.2 kHz, width modulated to a sine wave weighting of the same frequency as the AC supply.

Figure 86: Inverter part of a Chloride Excor single phase UPS Detail of the power part of the “Sepont” The inverter consists of four (double) switching transistors (4 times of 2 in parallel) and the inverter transformer (T11), connected across the DC supply. The four + four transistors are used as solid state switches; they are not required to operate in the linear part of their characteristic in this application. Note that if (TRI+TR3) and (TR6 + TR8) are on together there is a current flow from left to right through the transformer primary. If (TR2 + TR4) and (TR5 + TR7) are on together then the current flow is in the opposite direction.

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Figure 87: Detail of the power part of the “Sepont”

5.3.2. Principle of operation Let’s consider only 4 « switching » elements to simplify the explanation

+ TR 1

Figure 88: Schematic for principle explanation This switching pattern is accomplished as follows. TRI and TR2- switch alternately so that the potential of node A is switched between DC positive and DC negative, Note that the switching frequency of the transistors is 1.6 kHz, half the pulsed frequency of the transformer.

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+ TR 3

A

B

TR 2

TR 4

-

Output AC

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TR3 and TR4 similarly switch at 1.6 kHz but sine modulation at node B is advanced 180° with respect to that at node A. The difference between the two waveforms has a frequency doubling effect so that transformer primary is pulsed at 3.2 kHz. By profiling the PWM weighting the resultant waveform in the transformer secondary is a pure quality sine wave that is devoid of low order harmonics.

20 ms 50Hz sine

32 pulses in 20ms for 1600 Hz on each side. “Negative” side shifted 180° (in the 50Hz cycle). The combination of the two 1.6kHz (3.2kHz) give the final sine Figure 89: Shape of the AC Output The only filtering required is a notch filter for the 3.2 kHz inverter switching and a low pass filter for the fundamental frequency. This is accomplished by an LC combination. The choke is incorporated in the primary side of the transformer and the capacitors are in the secondary side. Freewheel diodes are incorporated across the collector emitter of each of the four (+ four) inverter bridge transistors. If all four transistors should be off while energy is trapped in the transformer then the diodes provide a conduction path. Also since the load is rarely unity power factor (cos ϕ = 1) and hence the current flow may lag or even lead the voltage waveform the diodes will provide a current path at those regions near the zero crossover points where the direction of the current flow may be oppose to the voltage polarity of the bridge.

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6. A.S.I. A.S.I. pour Alimentation Sans Interruption et U.P.S pour Uninterrupted Power Supply Une A.S.I peut être installée pour disposer d’une source de courant continu sans coupure. Dans ce cas, il n’est besoin que d’un redresseur / chargeur et d’un jeu de batteries. C’est le cas, sur site des alimentations pour circuits de déclenchement des disjoncteurs HT et BT (en 48 V CC), des alimentions des moteurs CC sur turbines (110 V CC), etc… Dans ce chapitre, nous nous intéressons uniquement aux ASI fournissant du courant alternatif et ayant en conséquence, la « chaîne » complète (redresseur, chargeur, onduleur, interrupteur statique, le circuit by-pass, etc.…

6.1. LES ASI POUR ALIMENTATION CA Seulement quelques petits « trucs » à savoir. Un ASI est un chargeur d’accumulateurs complété par un onduleur et un système de commutation automatique. La charge est un réseau de distribution CA alimentant principalement des dispositifs d’instrumentation.

Figure 90 : Exemple application site : système monobloc ‘Chloride’ Apodys EXCOR La gamme des ASI compte des modèles à sortie 1 phase ou 3 phases, avec alimentation indifféremment en mono ou triphasé (puisque l’on transite par du continu). Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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L’ASI assure automatiquement la continuité de l’alimentation électrique, dans les limites définies et sans interruption, après panne ou dégradation de la source CA. La durée de l’alimentation de secours, c’est à dire l’autonomie en cas de panne réseau est fixée par la capacité de la batterie.

6.1.1. Synchronisation ASI Un opérateur tableau voit souvent apparaître dans sa liste d’alarmes : « pas de synchronisation de l’ASI ». C’est une alarme devenue courante qui est « toujours » inhibée voire effacée !!! À la mise en service (ou retour à l’alimentation normale), selon la configuration de distribution, il y a deux possibilités : ASI et réseau : l’ASI prend la main en cas de panne d’alimentation. ASI et un autre ASI : La charge est alimentée par le seul ASI de façon permanente .

Figure 91 : Synchronisation d’ASI Toutes les ASI sont équipés d’un module de synchronisation qui agit selon le même principe que pour la synchronisation de 2 générateurs. La seule différence est que le courant CA de sortie d’un onduleur est une onde « reformatée » alors que la sortie CA d’un alternateur est une sinusoïde parfaite. L’ASI surveille en permanence le réseau CA pour adapter en permanence sa propre « forme » et être ‘en phase’. L’ASI doit pouvoir se ‘supplanter’ au réseau sans interruption (moins qu’un demi alternance, soit moins que 10 ms en 50 Hz)) La synchronisation de 2 onduleurs (entre eux) ne présente (en général) pas de problème. Lorsqu’il s’agit de synchroniser le réseau et un onduleur, de « légères » différences apparaissent dans la forme de l’onde ou les fréquences. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Voilà pourquoi l’alarme « pas de synchronisation » apparaît (relativement) fréquemment. Sur site, vous trouvez fréquemment deux ASI en parallèle, une seule ligne (chargeur / onduleur / batterie) étant à même d’alimenter toute la charge ; C’est le secours du secours, ou l’ASI de L’ASI…..

Simple ASI

Double ASI

Figure 92 : Configuration ASI sur site : simple ou double

6.1.2. Principe de fonctionnement suivant les configurations Considérons les 4 parties principales (voir les différents schéma dans la suite) : Le redresseur/ chargeur. La batterie. L’onduleur. L’interrupteur statique (avec le courant CA de secours et sa dérivation).

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Figure 93 : Les éléments principaux d’une ASI

6.1.2.1. Fonctionnement en marche normale

Figure 94 : Exploitation normale La charge est alimentée par le chargeur, l’onduleur, l’interrupteur statique et S1 est fermé.

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6.1.2.2. Panne de l’alimentation CA principale (normale)

Figure 95 : Panne de l’alimentation CA primaire (normale) L’alimentation de secours peut être ou ne pas être disponible, selon la configuration des alimentations de l’ASI. Le chargeur s’arrête et la batterie alimente l’onduleur et donc la charge. Dans ce mode, la durée de fonctionnement dépend de la capacité des batteries.

6.1.2.3. Alimentation de réserve (secours) en ligne

Figure 96 : Alimentation de secours en mode charge Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Peuvent être en panne : l’alimentation normale, le chargeur, l’onduleur, l’interrupteur statique (partiellement) ; S1 et S2 sont fermés. La commutation se fait automatiquement, c’est l’objectif (et le principe) d’un ASI. Si la panne vient de l’onduleur, le chargeur peut toujours être en ligne pour charger la batterie en mode floating. Le retour à l’exploitation normale doit également se faire automatiquement, tous les composants étant prêts et en fonctionnement. Il faudra (ou non) un réarmement, selon la configuration de l’onduleur.

6.1.2.4. Mode By-pass ou en Maintenance

Figure 97 : Maintenance en mode dérivation La charge est alimentée par l’alimentation de secours, directement, par l’interrupteur S3. Cette opération se fait (en général) manuellement pour les travaux de maintenance. Le retour à l’exploitation normale se fait également manuellement, avec une sous-exploitation par étapes et une synchronisation par les interrupteurs S2 et S1. Voir ci après

6.1.3. L’interrupteur statique Reprenons l’exemple de l’ASI chloride / Excor avec tout d’abord le schéma d’ensemble Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Figure 98 : Synoptique général d’une ASI Excor de Chloride Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Et la partie « interrupteur statique » L vers charge - avec N en commun

De l’onduleur Sortie T11

De l’alim réserve Q53 / S21 Sortie T1

Figure 99 : Partie interrupteur statique d’une ASI Excor de Chloride Lorsque l’ensemble est en configuration « normale », l’interrupteur statique est sous tension par la sortie de T11 (aval onduleur) et par la sortie de T1 (Alimentation de réserve, Q52 et Q53 étant fermés). La charge est alimentée en permanence au travers de la partie V21 du « pont statique », le côté V22 (alimentation de réserve) restant bloqué « fermé ». La logique intégrée du pont surveille en permanence les 2 signaux alternatifs (normal et réserve) en donnant (toujours en permanence) un ordre de synchronisation à l’onduleur. C’est à l’onduleur d’adapter fréquence et amplitude, pas au réseau…) Dés qu’une partie de l’alternance alimentation normale « disparaît », la logique du pont donne l’ordre à l’alimentation réserve de prendre le relais au travers de V22. Les charges alimentées par les ASI comportent des automates (PLC) qui peuvent « décrocher » avec l’absence d’une demi alternance (généralement). Le « switch » doit donc s’opérer pour un décrochage de l’onduleur de moins de 10 ms avec une fréquence de 50 Hz. Le retour en alimentation normale (au travers de l’onduleur) se fait (la aussi généralement) automatiquement.

6.1.4. Opération de maintenance et de by-pass Toujours le même exemple avec l’ASI Chloride Excor, Le commutateur de by-pass de l’ASI (S21 – voir figure du synoptique général) est utilisé pour effectuer la maintenance (ou quand plus rien ne fonctionne !), l’ensemble chargeur / batterie / onduleur étant « court-circuité ». L’opération de basculement (vers by-pass et vers auto) doit, bien entendu s’effectuer sans coupure, c’est le rôle premier de ce commutateur. Voyons le schéma détaillé de cette fonction by-pass Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Figure 100 : Partie commutateur by-pass d’une ASI Excor de Chloride Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Le commutateur S21 est à 4 positions comportant 9 « interrupteurs » dont 1 bipolaire avec 4 contacts puissance et 6 contacts contrôle / signalisation. Le passage d’une position à l’autre s’effectue suivant le tableautin récapitulatif ci-après (reprise d’une partie du schéma d’ensemble). Notez le recouvrement de certains contacts pour le passage d’une position à) l’autre. La commutation s’effectue obligatoirement dans l’ordre Auto ⇒ Transition ⇒ Test ⇒ Maintenance dans le sens vers by-pass et dans l’ordre Maintenance ⇒ Test ⇒ Transition ⇒ Auto en inverse pour le retour en marche normale. Contacts de S21

A

AUTO

x

TRANSITION TEST

x

B

D

E

x x x

MAINTENANCE

C

Contacts sur circuit puissance

G

H

I

x

x

x

F

x

x x x x

Contacts pour logique de test

x x x En Auto

Non en auto

Pour signalisation

Figure 101 : Commutation des contacts pour l’interrupteur de by-pass de l’ASI Transfert en Maintenance: 1. Contrôler les alarmes: si l’onduleur n’est pas synchronisé avec la source de réserve et est en train d’alimenter la distribution, vous avez un risque en effectuant la manipulation. Contrôler également la disponibilité de la source de réserve 2. Tourner S21 en Transition – attendez quelques secondes 3. Tournez S21 sur Test – attendez – puis sur Maintenance 4. La distribution est alimentée par la source de réserve, il ne reste plus qu’à espérer qu’elle sera fiable… Les interventions de maintenance peuvent être effectuées sur le chargeur, l’onduleur, les batteries et même l’interrupteur statique en prenant les dispositions de sécurité nécessaires : couper les alimentations et attention aux condensateurs !. Retour en Auto (depuis la position Maintenance): 1. Mettre sous tension, chargeur, onduleur, assurez-vous de leur fonctionnement « normal » et que les batteries soient également en circuit. 2. Toutes les alarmes doivent disparaître. Cela peut prendre plusieurs minutes. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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3. Effectuer les acquittements d’alarmes (reset) si nécessaires 4. Passer le commutateur S21 sur position Test. Tester l’interrupteur statique en appuyant sur S22 (au moins 10 s dans le cas du système Excor de Chloride) et contrôler le bon fonctionnement (interrupteur statique sur le synoptique (local) 5. Tourner S21 sur Transition, le contact B de by-pass est ouvert, la charge est alimentée au travers de la partie V22 de l’interrupteur statique. 6. Contrôler tension, fréquence 7. Tourner S21 sur Auto – l’onduleur doit se synchroniser et prendre la charge.

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7. PROTECTIONS DES ONDULEURS ET ASI (Schneider - CT 129) Les alimentations sans interruption -ASI- ont comme mission première d’assurer la continuité de fourniture de l’énergie électrique. Même lorsque le réseau est absent elles fournissent l’énergie nécessaire à partir de leurs batteries ou d’une source de remplacement, ou encore d’une source de secours en cas d’anomalie. Les systèmes de transfert statiques -STS- permettent d’alimenter une utilisation à partir de deux sources indépendantes. En cas de défaut ils transfèrent automatiquement les charges d’une source à l’autre. La mise en oeuvre de ces dispositifs, en respectant les normes d’installation CEI 60364 et NF C 15-100, est assez délicate du fait du nombre de sources, de la multiplicité des configurations possibles et des différents schémas des liaisons à la terre. Ce chapitre permet de faire le point sur ces difficultés et apporte des explications pour choisir les solutions les mieux adaptées aux différents cas rencontrés. Et qui n’a pas eu de problème de terre et de mise an neutre avec les ASI ?

7.1. LES SCHEMAS DE LIAISON DU NEUTRE A LA TERRE EN BT 7.1.1. Description Ces normes définissent, pour les installations basse tension, trois types de schémas des liaisons à la terre : le schéma TT, dit neutre à la terre ; le schéma TN, dit de mise au neutre ; le schéma IT, dit à neutre isolé ou impédant. Ils sont symbolisés par 2 lettres : La première lettre indique la situation du neutre à l’origine de l’installation par rapport à la terre : - T = liaison directe du neutre avec la terre, - I = soit isolation de toutes les parties actives par rapport à la terre, soit liaison du neutre avec la terre à travers une impédance Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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La deuxième lettre indique la situation des masses par rapport à la terre : - T = masses reliées directement à la terre, - N = masses reliées au neutre. Deux autres lettres sont aussi utilisées en TN : TN-S = lorsque la fonction de protection est assurée par un conducteur distinct depuis le neutre ou le conducteur actif mis à la terre ; TN-C = lorsque les fonctions de neutre et de protection sont combinées en un seul conducteur (conducteur PEN). La figure « résumé des 3 (+2) schémas de liaison à la terre », résume l’ensemble de la norme concernant l’installation et l’exploitation de ces schémas.

Figure 102 : Résumé des trois (+ deux) schémas de liaison à la terre définis par les normes CEI et NF.

7.1.2. En pratique Le schéma TT est le plus simple à la conception et à l’utilisation, mais il nécessite la protection par des dispositifs différentiels à courant résiduel -DDR- de tous les circuits. Le schéma TN-S est fortement recommandé pour l’alimentation des matériels de traitement de l’information et analogues du fait de la présence de nombreuses capacités de filtrage créant un courant de fuite important. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Le schéma TN-C est déconseillé pour les appareils communicants du fait des différences de tension inévitables entre les différentes enveloppes. Il est de plus interdit dans certains cas (par exemple pour l’alimentation électrique de zone avec risque d’incendie ou d’explosion) en raison de la circulation d’importants courants dans le conducteur PEN et dans les éléments conducteurs présents et parallèles au PEN (blindages, structures métalliques des bâtiments…). Le schéma IT, du fait de sa tolérance au premier défaut, peut être requis pour les installations de sécurité. Il nécessite un contrôleur permanent d’isolement (CPI) pour réparer le premier défaut avant l’apparition d’un deuxième. A noter qu’une installation peut être conçue avec chacun de ces SLT ou avec plusieurs SLT (voir figure 103 « exemple de coexistence entre les divers SLT »).

Figure 103 : Exemple de coexistence entre les divers SLT Pour plus de détails sur les SLT, voir le cours EXP-MN-SE070 « Terre et Neutre », Voici néanmoins un résumé des caractéristiques de chaque type de SLT (Schéma de Liaison à la Terre). Voir la figure précédente « résumé, etc… » pour les références.

7.1.2.1. Neutre à la terre -TT- (a) Technique d’exploitation : Coupure au premier défaut d’isolement. Technique de protection des personnes : La mise à la terre des masses est obligatoirement associée à l’emploi de dispositifs différentiels à courant résiduel (DDR), au moins un en tête de l’installation. C’est la solution la plus simple à l’étude et à l’installation. Elle ne nécessite pas de surveillance permanente de l’isolement, mais chaque défaut entraîne une coupure de l’élément concerné. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Note : Si, en aval d’une ASI, pour des raisons particulières de fonctionnement, il est nécessaire de séparer la prise de terre des masses (des utilisations) de la prise de terre du neutre (onduleur), seul ce schéma neutre à la terre (TT) peut être utilisé.

7.1.2.2. Mise au neutre (TN) Le schéma TN, selon les normes CEI 60364 et NF C 15-100, comporte plusieurs sous schémas : TN-C (b) : si les conducteurs du neutre N et du PE sont confondus (PEN) ; TN-S (c) : si les conducteurs du neutre N et du PE sont séparés ; TN-C-S (d) : utilisation d’un TN-S en aval d’un TN-C, (l’inverse est interdit). A noter que le TN-C est interdit pour les réseaux ayant des conducteurs de section inférieure à 10 mm2. Technique d’exploitation : Coupure au premier défaut d’isolement. Technique de protection des personnes : interconnexion et mise à la terre des masses et du neutre impératives coupure au premier défaut réalisée par déclenchement des protections de surintensité (disjoncteurs ou fusibles) ou par dispositif différentiel. Économique à l’installation, le schéma TN nécessite une étude de l’installation et un personnel d’exploitation compétent. Il se traduit par la circulation de forts courants de défaut, pouvant endommager certains appareils sensibles.

7.1.2.3. Neutre isolé (IT) et impédant Avec ce schéma (e), le premier défaut d’isolement n’est pas dangereux. Technique d’exploitation : signalisation du premier défaut d’isolement ; recherche et élimination obligatoires du défaut ; Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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coupure si deux défauts d’isolement simultanés. Technique de protection des personnes : interconnexion (a) et mise à la terre des masses, selon le schéma TT si toutes les masses ne sont pas interconnectées, selon le schéma TN dans le cas contraire ; surveillance du premier défaut par contrôleur permanent d’isolement ; coupure au deuxième défaut par protection de surintensité (disjoncteurs ou fusibles) ou par dispositif différentiel. Le schéma IT est la solution assurant la meilleure continuité de service. La signalisation du premier défaut permet une prévention contre tout risque d’électrocution. Il nécessite un personnel de surveillance compétent (recherche du premier défaut). En distribution publique. Les schémas de liaison à la terre les plus utilisés sont le TT et le TN : quelques pays seulement, par exemple la Norvège (et la France), utilisent le régime IT.

7.2. PRINCIPALES CONFIGURATIONS OU TYPES D’ASI Comme son nom l’indique, la fonction principale d’une alimentation sans interruption, ou ASI, est la continuité de service. Mais une ASI peut remplir également d’autres fonctions et en particulier améliorer la qualité de la tension délivrée à l’utilisation. C’est ce qui explique les diverses configurations utilisées. Les schémas simplifiés qui suivent sont destinés à expliquer leurs principales caractéristiques. Ils sont plus détaillés dans la norme ASI CEI 62040-3.

7.2.1. ASI double conversion (ASI dite « ON-LINE ») En fonctionnement normal l’utilisation est alimentée en permanence par l’onduleur. La tension continue nécessaire à l’onduleur est fournie par le redresseur lorsque l’alimentation normale présente une tension dans les tolérances admissibles par le redresseur, ou par la batterie dans le cas contraire. Sur le schéma (figure 104 « schéma de principe d’une ASI double conversion dite ONLINE»), la batterie est représentée en permanence sur la partie continue de l’onduleur et le redresseur fait également fonction de chargeur de batterie.

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Figure 104 : Schéma de principe d’une ASI double conversion dite ON-LINE Dans certaines réalisations la batterie dispose d’un chargeur indépendant et elle est connectée à l’onduleur directement par un interrupteur lors de la disparition de l’alimentation normale. Dans d’autres réalisations surtout lorsque la tension de la batterie est faible, un convertisseur continu / continu est inséré entre la batterie et la partie continue de l’onduleur. Dans ce cas la batterie peut disposer d’un chargeur spécifique ou bien c’est le convertisseur continu / continu qui fait office de chargeur. Une voie dite de by-pass permet d’augmenter la disponibilité de l’alimentation en cas de surcharge ou en en cas d’arrêt de l’onduleur suite à une défaillance ou pour des raisons de maintenance. Cette disposition est la plus répandue surtout pour les ASI de moyennes ou fortes puissances, car c’est celle qui donne le meilleur résultat en terme de qualité de la tension délivrée à l’utilisation. Elle convient donc pour tous les types de charge y compris les plus sensibles.

7.2.2. ASI fonctionnant en interaction directe avec le réseau Cette fois, en fonctionnement normal, l’utilisation est alimentée par le réseau à travers une interface de puissance (figure 105 « schéma d’une ASI fonctionnant en interaction directe avec le réseau »). Figure 105 : Schéma d’une ASI fonctionnant en interaction directe avec le réseau Cette interface de puissance, en association avec l’onduleur connecté en parallèle avec l’utilisation, permet selon les réalisations d’améliorer la qualité de la tension fournie en introduisant une régulation de tension, et aussi de filtrer les harmoniques générés par l’utilisation. La charge de la batterie est assurée par l’onduleur qui fonctionne en mode réversible. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Lorsque la tension de l’alimentation normale sort des tolérances admissibles par l’ASI, c’est l’onduleur qui continue à alimenter l’utilisation à partir de sa batterie. Il est à noter que pour éviter de perturber l’utilisation lors de la sortie de tolérances de la tension normale, il est nécessaire de disposer d’un organe de découplage ultrarapide dans l’interface de puissance. Par ailleurs, la tension délivrée à l’utilisation est nécessairement de même fréquence que celle de l’alimentation normale. Si cette fréquence devient mauvaise, ou varie rapidement dans le cas où l’alimentation normale est remplacée par un groupe électrogène par exemple, il y a le choix entre transmettre ces perturbations à l’utilisation ou décharger la batterie ! C’est pourquoi cette configuration est moins employée que la précédente et est réservée à des applications moyennement ou peu sensibles. Notons qu’il est possible d’adjoindre à ce schéma une voie by-pass avec un commutateur comme sur le schéma double conversion.

7.2.3. ASI fonctionnant en attente passive En fonctionnement normal, l’utilisation est alimentée directement par le réseau (figure 106 « schéma d’une ASI fonctionnant en en attente passive dite OFF-LINE ».

Figure 106 : Schéma d’une ASI fonctionnant en attente passive OFF-LINE Lorsque la tension du réseau sort des tolérances admissibles par l’utilisation, le commutateur permet de continuer à alimenter l’utilisation à partir de l’onduleur. Le commutateur est souvent un relais dont le temps de coupure est inférieur à 10 ms lors du transfert de source car ce schéma est habituellement réservé aux petites puissances. Cette configuration convient à des utilisations peu sensibles telles que les ordinateurs personnels pour lesquels le niveau de qualité de tension de l’alimentation habituelle (réseau ou éventuelles sources de remplacement), est jugé suffisant pour garantir un bon fonctionnement des appareils. La fonction principale de ce type d’ASI est donc de pallier les absences de tension ou d’éventuels dépassement des tolérances de tension prévues. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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7.2.4. Associations d’ASI 7.2.4.1. ASI mises en parallèle De façon générale la mise en parallèle d’ASI permet d’augmenter la puissance disponible. Cette disposition s’impose lorsque la puissance demandée par l’utilisation dépasse la puissance maximale disponible pour une ASI. Toutefois dans la majorité des cas, la mise en parallèle est utilisée pour augmenter la disponibilité, ceci afin de pouvoir continuer à alimenter l’utilisation avec une ASI en défaut. Afin de ne pas systématiquement associer mise en parallèle et augmentation de disponibilité, la norme CEI 62040-3 réserve le terme de « mise en parallèle » à l’augmentation de puissance. La mise en parallèle pour augmenter la disponibilité est désignée par « ASI parallèle en redondance active ». Dans ce cas la puissance totale des ASI en parallèle dépassera la puissance requise par la charge d’au moins une unité d’ASI. Mise en parallèle en redondance active avec By-pass unique (figure 107 « trois ASI en parallèle et en redondante active avec by-pass unique ») Commentaire sur la figure :deux unités d’ASI suffisent à fournir la puissance totale demandée par la charge.

Figure 107 : trois ASI en parallèle et en redondante active avec by-pass unique Le commutateur unique permet de transférer l’utilisation sur l’alimentation 2 en cas d’arrêt de l’ensemble des unités d’ASI. Ce commutateur unique est habituellement installé dans une cellule spécifique qui permet en outre de réaliser la mise en parallèle des unités d’ASI et d’assurer le câblage des départs vers l’utilisation. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Mise en parallèle en redondance active avec une voie by-pass par unité d’ASI. Pour alimenter l’utilisation par l’alimentation 2, il faut commander simultanément tous les commutateurs qui en pratique sont des contacteurs statiques (figure 108 « n ASI mises en parallèle en redondance active avec une voie bypass par unité d’ASI » ). Figure 108 : n ASI mises en parallèle en redondance active avec une voie by-pass par unité d’AS Ici n-1 unités d’ASI suffisent à fournir la puissance totale demandée par la charge.

7.2.4.2. ASI en redondance passive En cas de défaillance de l’unité d’ASI en fonctionnement, l’unité d’ASI en attente est mise en service reprenant ainsi l’alimentation de la charge. Cette configuration existe avec ou sans by-pass. Figure 109 : Exemple de deux ASI identiques en redondance passive avec by-pass La figure «exemple de deux ASI identiques en redondance passive avec by-pass ». présente deux ASI double conversion identiques, le réseau de secours de l’unité 1 est remplacé par l’unité 2, qui présente une disponibilité bien supérieure à celle du réseau.

7.2.5. Spécificités liées aux différents types d’ASI Cet aperçu sur les différentes configurations d’ASI met en évidence les points essentiels suivants : l’ASI se comporte comme récepteur pour la ou les sources de tensions d’alimentation ; l’ASI se comporte comme source vis-à-vis des utilisations ; Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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la tension en sortie des ASI est en principe disponible même en absence d’une ou plusieurs sources d’alimentation ; les ASI présentent des circuits en courant alternatif et des circuits en courant continu ; dans certaines séquences de fonctionnement l’utilisation peut être alimentée directement par une des sources d’alimentation. Par ailleurs la protection des personnes repose sur les schémas de liaison du neutre à la terre (SLT) qui nécessitent des dispositifs de protection appropriés. Selon les installations, les SLT en amont et en aval de l’ASI peuvent être identiques ou différents.

7.2.6. Contraintes particulières 7.2.6.1. Présence d’isolement galvanique dans une ASI Selon les cas, les ASI peuvent comporter des transformateurs dans différentes parties qui réalisent de fait des séparations galvaniques de certains circuits par rapport aux alimentions ou aux utilisations, ce qui nécessite l’examen des cas suivants : avec ou sans isolement galvanique entre les installations amont et aval, objet du paragraphe 5 (Application), avec ou sans isolement galvanique entre la batterie et les circuits à courant continu d’une part et les installations amont et aval d’autre part, objet du paragraphe 6. La figure «les différents emplacements possibles des transformateurs….. », fait apparaître, pour le cas de la mise en parallèle en redondance active d’ASI de type double conversion, les différents emplacements possibles des transformateurs. Figure 110 : Différents emplacements possibles des transformateurs pour le cas mise en parallèle en redondance active d’ASI de type double conversion. Ce cas est le plus complet puisque dans les autres configurations certaines voies n’existent pas. Les commutateurs ont été remplacés par les contacteurs statiques (CS) habituellement utilisés. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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7.2.6.2. Exigence de continuité de service La recherche de la meilleure continuité d’alimentation pour les récepteurs alimentés par l’ASI nécessite la sélectivité des protections contre les surintensités, que ces surintensités soient consécutives à un défaut entre conducteurs actifs ou à un défaut d’isolement. De plus, le courant de court-circuit d’un onduleur étant relativement faible (de 2 à 3 fois le courant nominal), les protections doivent être définies avec beaucoup d’attention. Par ailleurs, la présence éventuelle de filtres d’antiparasitage, particulièrement pour l’alimentation des récepteurs de type informatique, doit être prise en compte dans la définition des protections. En effet, ces filtres comportent des condensateurs placés entre conducteurs actifs et terre qui peuvent provoquer des fonctionnements intempestifs des protections différentielles.

7.3. PROTECTION CONTRE LES CONTACTS DIRECTS Les normes qui régissent la protection contre les chocs électriques sont : Pour l’installation - CEI 60364-4-41, - CEI 61140, - EN 61140, - NF C 15-100 partie 4-41, Pour ensembles de série ou dérivés de série (appelés auparavant ensembles montés en usine) - CEI 60439-1, - EN 60439-1, Pour les ASI - CEI 62040-1-1, - EN 62040-1-1, - EN 62040-1-2. Figure 111 : ASI assurant protection des personnes contre risques de contact direct avec degré IP 215 Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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La protection des personnes contre les risques de contact direct avec une pièce normalement sous tension est assurée, lorsque les ASI (redresseur, onduleur et éventuellement d’autres équipements tels un contacteur statique) sont installées dans des enveloppes (voir figure) ; le degré de protection de ces enveloppes devant être au minimum IP 2xx ou IP xxB (selon CEI et EN 60529). En ce qui concerne les batteries d’accumulateurs, le respect de ces normes associé aux contraintes de fonctionnement conduit à trois modes d’installation : Intégration des batteries avec les autres constituants de l’alimentation statique (redresseur, onduleur, by-pass, interrupteur de transfert…) dans une cellule ; dans ce cas les batteries sont compartimentées, Installation des batteries dans des armoires séparée. Regroupement des batteries dans des locaux spécialisés (délimités par les cloisons d’un bâtiment ou l’enveloppe d’une armoire) réservés à un service électrique. De plus, les risques inhérents aux batteries d’accumulateurs (dégagements gazeux explosibles, substances corrosives), imposent des conditions particulières d’installation.

7.4. PROTECTION CONTRE LES CONTACTS INDIRECTS Par contacts indirects il faut comprendre, selon les normes CEI 60364-4-41 et NF C 15100 partie 4-41, les contacts de personnes ou d’animaux avec des masses mises accidentellement sous tension par suite d’un défaut d’isolement. Généralement cette protection est réalisée par : l’interconnexion et la mise à la terre des masses métalliques d’une installation (équipotentialité) ; l’élimination d’un défaut dangereux pour les personnes (et les biens) par un dispositif de protection dont le choix dépend des schémas de liaison du neutre à la terre (cf. § 1.1). La sécurité peut être aussi obtenue par l’emploi d’autres méthodes (classe II, séparation électrique…) généralement non appliquées dans les installations comportant des ASI.

7.4.1. Choix du schéma des liaisons à la terre en aval de l’ASI Tous les SLT normalisés peuvent, a priori, être retenus car ils sont équivalents en ce qui concerne la protection des personnes.

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Toutefois il est important de connaître leurs principales caractéristiques d’exploitation avant de faire un choix définitif (voir figure 112 « les différentes façons, etc.…… »).

Figure 112 : Différentes façons d’isoler galvaniquement réseaux amont et aval d’une ASI [a] ASI sans voie by-pass ou sans voie directe et ASI réversible (en interaction directe avec le réseau), [b] ASI avec voie by-pass ou avec voie directe. De plus, la mise en oeuvre des schémas des liaisons à la terre, selon leur situation relative par rapport aux ASI (amont et aval) obéit à d’autres exigences, d’où les deux paragraphes suivants.

7.4.2. Lorsque le SLT en amont de l’ASI est en TN-C Le PEN, conducteur de protection et de neutre, ne peut jamais être interrompu. La continuité du conducteur de neutre est toujours assurée. Le schéma aval peut donc être TN-C, TN-S ou TT sans aucune disposition particulière.

7.4.3. Lorsque le SLT en aval de l’ASI est différent du SLT en amont Tout changement de SLT, excepté le passage du TN-C amont au TN-S ou TT aval, nécessite une séparation galvanique totale des circuits concernés. En présence d’une ASI, cette séparation, constituée par un ou plusieurs transformateurs à enroulements séparés, peut être réalisée de différentes façons selon le nombre de voies et la présence de transformateurs à l’intérieur de l’ASI (voir figure « les différentes façons…… »).

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Dans le cas des ASI à chaînes RBO isolées (redresseur - batterie - onduleur), il peut y avoir un ou plusieurs transformateurs. De ce fait les circuits à courant continu et la batterie peuvent être isolés de l’amont ou de l’aval ou complètement isolés. Parmi les nombreux schémas, les schémas présentés ici mettent en évidence les principes appliqués pour la mise en oeuvre des SLT d’une installation comportant des ASI. La connaissance de ces principes est indispensable pour la compréhension et l’analyse des offres des différents constructeurs vis-à-vis d’un besoin particulier.

7.4.4. Lorsque les SLT en amont et en aval de l’ASI sont identiques Il convient de distinguer les deux cas suivants : le schéma amont est en TN-C, les schémas amont et aval sont TN-S, TT ou IT.

7.4.4.1. Les schémas amont et aval sont TN-C Comme pour le cas général du paragraphe 4-2 (dans ce chapitre 7) avec un schéma TN-C en amont il n’y a pas de disposition particulière.

7.4.4.2. Les schémas amont et aval sont TN-S, TT ou IT Dans ces cas, lors du fonctionnement d’un dispositif de protection ou pour une opération de maintenance, le conducteur neutre en amont de l’ASI peut être interrompu ou sectionné. Lors de cette interruption, si une séparation galvanique n’est pas assurée sur toutes les voies, le schéma aval est un schéma IT, quel que soit le schéma amont. D’où pour les schémas TN-S et TT : il est nécessaire de s’assurer de la compatibilité des équipements avec le schéma IT, notamment de la tenue en tension des condensateurs prévus pour satisfaire aux exigences de Compatibilité Electromagnétique - CEM. En effet, ces condensateurs qui supportent la tension simple dans les schémas avec neutre à la terre, risquent de devoir supporter une tension composée lors d’un défaut en schéma IT. Lors d’un défaut d’isolement d’une phase par rapport à la terre, le potentiel des autres phases par rapport à la terre correspond aux tensions entre phases.

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Cependant pour les opérations de maintenance, généralement de courte durée, la probabilité d’apparition d’un défaut est très faible ; c’est pourquoi il est couramment accepté que les condensateurs ne tiennent pas cette tension composée. il convient de vérifier que les conditions de protection contre les contacts indirects sont satisfaites, non seulement pour le schéma TN-S ou TT, mais également pour le schéma IT : cela revient à s’assurer en schéma IT que le courant lors du défaut double est suffisant pour provoquer l’ouverture des protections (NF C 15-100, partie 4 § 411-6-4 et CEI 60364, partie 4 § 413-1-5-5) il est nécessaire d’assurer la protection du conducteur neutre en utilisant une détection de surintensité entraînant la coupure de tous les conducteurs actifs y compris le neutre (NF C 15-100 et CEI 60364, partie 4 § 431-2). pendant cette période de fonctionnement la surveillance de l’isolement n’est pas réalisée mais la protection des personnes reste bien assurée. Toutefois la durée de cet état est normalement courte puisque l’ouverture d’un dispositif de protection est la conséquence d’un défaut qui est rapidement réparé. De plus, si la sélectivité est correctement calculée, l’ouverture du dispositif de protection ne doit concerner que le départ en défaut et non les autres départs. C’est pourquoi les normes n’imposent pas de CPI sur les installations normalement exploitées en TN-S ou en TT qui comportent une ASI selon cette configuration. Pour le schéma IT, le fonctionnement reste avec le même schéma, mais la surveillance de l’isolement n’est pas assurée pendant la période de coupure du neutre en amont. Si une séparation galvanique complète existe entre l’amont et l’aval de l’ASI les différents cas des figures précédentes avec des SLT amont et aval différents s’appliquent : Le schéma des mises à la terre doit être reconstitué en aval de l’ASI : en schéma TN-S ou TT, par la liaison directe d’un point à la terre en aval de cette séparation galvanique, en schéma IT, par l’installation d’un nouveau contrôleur permanent d’isolement. La séparation galvanique complète est recommandée pour obtenir une meilleure protection contre les perturbations présentes sur les alimentations amont.

7.4.5. Précision sur mesure de protection par coupure automatique de l’alimentation (NF C 15-100 partie 4 § 411 et CEI 60364 partie 4 § 413-1) Lorsque les circuits d’utilisation en aval de l’ASI peuvent être alimentés directement par la source normale ou de remplacement (ASI avec circuit by-pass ou ASI « OFF-LINE »), il convient de vérifier les conditions de protection contre les contacts indirects, Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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conformément à ces normes en prenant en compte les caractéristiques de la source normale (Alimentation 1) et le cas échéant, de la source de remplacement (Alimentation 2). De plus, dans tous les cas, il convient de vérifier les conditions de protection, lorsque les circuits sont alimentés par l’onduleur, en tenant compte des caractéristiques de fonctionnement de ce dernier, fournies par le constructeur. Il faut en particulier connaître le courant maximum que peut fournir l’onduleur pour des surcharges pouvant aller jusqu’au court-circuit et la durée pendant laquelle l’onduleur peut fournir ce courant. Habituellement le constructeur indique quels sont les dispositifs et leurs calibres pour assurer cette protection.

7.4.5.1. Deux recommandations pratiques Afin de ne pas perturber l’utilisation pendant le fonctionnement des protections, il est recommandé d’utiliser des disjoncteurs rapides limiteurs ou des fusibles ultra rapides. Afin d’avoir des protections opérationnelles, le courant de court-circuit d’un onduleur étant limité à des valeurs de 2 à 3 fois son courant nominal, il est recommandé de subdiviser au maximum les départs afin que le rapport entre le courant de défaut pour un départ et le courant de déclenchement du dispositif de protection soit le plus grand possible. Ainsi avec 4 départs identiques, et un courant de court-circuit de l’onduleur égal à 2,5 fois son courant nominal, ce courant ramené à un départ vaut 10 fois son courant assigné.

7.4.5.2. Cas particulier des ASI de faible puissance connectées au réseau normal par prise de courant Les ASI de faible puissance sont celles de puissance inférieure à 3 kVA qui sont connectées par prise de courant monophasée de courant assigné maximal 16 A. Elles ne doivent pas alimenter une installation fixe. Lorsque le cordon est débranché, le conducteur de protection PE est interrompu et l’alimentation des circuits d’utilisation est assurée à partir de la batterie d’accumulateurs de l’ASI. L’installation peut être considérée comme de faible étendue et à potentiel flottant. La protection est alors assurée par l’équipotentialité entre les différents matériels desservis. Ceci nécessite que les prises de courant en aval des ASI comportent un contact de terre.

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7.4.6. Protection contre les retours de tension en entrée Les normes ASI CEI et EN 62040-1-1 et 62040-1-2 demandent à ce qu’il y ait une protection contre un retour de tension en entrée. Pour les ASI de petite puissance, raccordées par prise, cette exigence est particulièrement justifiée du fait que lorsque le cordon est débranché, l’apparition d’une tension sur les fiches males peut être dangereuse pour les personnes ou les animaux. Pour les ASI à poste fixe, cette mesure se justifie pour des raisons de maintenance, lorsque le personnel intervient en amont de l’ASI. Ce dispositif peut être incorporé à l’équipement ou installé à l’extérieur. Dans ce dernier cas, le constructeur doit spécifier le type de dispositif d’isolation qui doit être utilisé. De plus une étiquette portant la mention « ISOLER L’ALIMENTATION SANS INTERRUPTION AVANT DE TRAVAILLER SUR CE CIRCUIT » doit être apposée par l’utilisateur sur tous les dispositifs d’isolation installés dans une zone éloignée de l’ASI.

7.5. APPLICATION 7.5.1. Application aux ASI unitaires 7.5.1.1. Les schémas de liaison à la terre en amont et en aval sont différents ASI avec isolement galvanique : L’ASI intègre alors un transformateur sur chacune de ses voies. Dans les schémas qui suivent le transformateur a été placé en amont de la chaîne RBO, c’est pourquoi il est noté TR (comme transformateur du redresseur). Il est aussi possible d’obtenir un isolement galvanique de cette voie avec un transformateur placé en aval de l’onduleur (TO). Schéma TT : Le neutre de l’utilisation est relié à la terre au niveau du bornier aval de l’ASI : figure 113 «SLT TT en aval (SLT amont indifférent - TT, TN ou IT) ». La protection des personnes est réalisée à l’aide d’un DDR associé à un disjoncteur, soit globalement, soit individuellement sur chaque départ. Schéma TN : Le neutre de l’utilisation est relié à la terre au niveau du bornier de l’ASI. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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La protection des personnes est normalement assurée par les protections de surintensités. Si le SLT de l’utilisation est en TN-C, le conducteur commun de protection et de neutre PEN est distribué à partir de ce bornier : figure 114 «SLT TNC en aval (SLT amont indifférent - TT, TN ou IT) ». .

Figure 113 : SLT TT en aval (SLT amont indifférent - TT, TN ou IT)

Figure 114 : SLT TNC en aval (SLT amont indifférent - TT, TN ou IT) Si le SLT de l’utilisation est en TN-S, ce qui est le cas le plus fréquent, le conducteur de protection et le neutre sont reliés à la même prise de terre au niveau du bornier de l’ASI : Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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figure «SLT TNS en aval (SLT amont indifférent - TT, TN ou IT) ».. Des DDR peuvent alors être placés, si nécessaire, sur les départs.

Figure 115 : SLT TNS en aval (SLT amont indifférent - TT, TN ou IT) Schéma IT : Un CPI, connecté entre l’un des conducteurs actifs et la terre détecte les défauts d’isolement en aval de l’ASI (utilisation) ainsi que ceux de l’ASI jusqu’aux transformateurs TR ou TO, figure 116: «SLT IT en aval (SLT amont indifférent – TT, TN ou IT)». La protection des personnes, au second défaut est normalement assurée par les protections de surintensités.

Figure 116 : SLT IT en aval (SLT amont indifférent - TT, TN ou IT). Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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ASI sans isolement galvanique (N’intégrant pas de transformateur sur chacune des voies) Sans isolement, les seules combinaisons possibles sont le SLT TN-C en amont de l’ASI avec, en aval, les SLT TN-S ou TT , figure 117 : «sans isolement galvanique, les combinaisons possibles sont le SLT TN-C en amont et les SLT TN-S ou TT en aval ». En effet, il n’est pas nécessaire de prévoir de transformateur supplémentaire quel que soit le nombre et la position des transformateurs éventuellement présents dans l’ASI du fait de la continuité du conducteur commun de protection et de neutre PEN. Dans ce cas le conducteur commun PEN est séparé en neutre et PE au niveau du bornier de sortie de l’ASI. Le neutre est distribué avec le PE pour la partie de l’installation alimentée en TN-S, tandis que pour la partie alimentée en TT seul le neutre est distribué, le PE étant distribué à partir d’une terre locale. Si d’autres combinaisons de SLT amont et aval sont nécessaires, il faut se ramener au cas précédent en ajoutant un ou plusieurs transformateurs, éventuellement à l’extérieur de l’équipement électronique lorsque l’ASI ne dispose pas de transformateurs intégrés sur chacune des voies.

Figure 117 : Sans isolement galvanique, les combinaisons possibles sont le SLT TN-C en amont et les SLT TN-S ou TT en aval

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ASI double conversion avec transformateur onduleur TO Ce type d’ASI avec un transformateur onduleur, sans isolement dans la voie by-pass est le plus courant pour les ASI de moyenne et forte puissance. Il nécessite donc la mise en place d’un transformateur TB dans la voie by-pass. Schéma amont indifférent, schéma aval TT Le neutre de l’utilisation est relié à la terre au niveau du bornier de l’ASI. La protection des personnes est réalisée à l’aide d’un DDR associé à un disjoncteur, soit globalement, soit individuellement sur chaque départ.

Figure 118 : SLT amont indifférent, SLT aval TT Schéma amont indifférent, schéma aval TN-S Dans ce cas qui est le plus fréquent en TN, le conducteur de protection et le neutre sont reliés à la même prise de terre au niveau du bornier de l’ASI (schéma identique à la figure «SLT IT en aval (SLT amont indifférent - TT, TN ou IT) ». La protection des personnes est normalement assurée par les protections de surintensité. Des DDR peuvent alors être placés sur les différents départs si le courant de défaut est insuffisant pour atteindre le seuil de déclenchement des protections de surintensité. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Schéma amont indifférent, schéma aval TN-C Le neutre de l’utilisation est relié à la terre au niveau du bornier de l’ASI. La protection des personnes est assurée par les protections de surintensités. Le conducteur commun de protection et de neutre (PEN) est distribué à partir de ce bornier.

Figure 119 : SLT amont indifférent, SLT aval TN-C Schéma amont indifférent, schéma aval IT

Figure 120 : SLT amont indifférent, SLT aval IT Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Un CPI connecté entre l’un des conducteurs actifs (ici le neutre) et la terre, détecte les défauts d’isolement sur l’utilisation ainsi que ceux de l’ASI jusqu’aux transformateurs TB et TO. La protection des personnes, au second défaut, est normalement assurée par les protections de surintensités. ASI double conversion n’intégrant pas de transformateur. Ce schéma autrefois réservé aux petites puissances se rencontre de plus en plus en moyenne puissance et commence à être utilisé sur les fortes puissances. Dans le cas très général où il y a une voie normale et une voie by-pass, il faut utiliser deux transformateurs pour réaliser l’isolement galvanique en amont. Le schéma souhaité pour l’utilisation est reconstitué en aval de l’ASI comme dans les cas précédents. Les défauts internes de l’onduleur sont protégés par les disjoncteurs en amont. Cette disposition avec deux transformateurs se justifie principalement pour deux raisons : dans le cas où les deux sources de tension alternative ne sont pas issues du même jeu de barres, dans le but d’améliorer la disponibilité, puisqu’en cas de défaut sur un transformateur, ou sur une entrée, l’autre voie n’est pas affectée. La figure «avec les deux transformateurs TB et TR placés en amont (cas de 2 sources distinctes), les SLT amont et aval peuvent être différents ».en donne un exemple avec le schéma amont indifférent et schéma aval TT. Il est également possible de n’utiliser qu’un seul transformateur, en le plaçant en sortie. Dans ce cas il est possible de reconstituer en aval du transformateur de sortie le SLT désiré, figure «avec un seul transformateur TS [a] ou TE [b] les SLT amont et aval peuvent être différents ».

Figure 121 : Avec les deux transformateurs TB et TR placés en amont (cas de 2 sources distinctes), les SLT amont et aval peuvent être différents. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Le neutre en amont de l’ASI n’est utilisé que s’il est nécessaire au fonctionnement de l’ASI.

Figure 122 : Avec un seul transformateur TS [a] ou TE [b] les SLT amont et aval peuvent être différents. Le transformateur introduit une chute de tension par rapport à la sortie de l’ASI, qui peut être gênante si le courant de l’utilisation comporte un taux élevé de distorsion et particulièrement avec l’harmonique 3. Dans ce cas il est possible d’utiliser un transformateur avec un secondaire en zigzag pour réduire l’impédance homopolaire. Une autre possibilité consiste à réguler la tension au secondaire du transformateur, auquel cas celle-ci retrouve toutes les qualités de l’appareil initial. Dans la mesure où les deux sources d’alimentation alternatives proviennent du même jeu de barres ce qui est le cas le plus fréquent, le schéma de la figure «avec un seul transformateur TS (a) ou TE (b) les SLT amont et aval peuvent être différents – partie (b) » un seul transformateur est également possible. Ce cas correspond également à celui des ASI avec by-pass et une seule arrivée pour l’alimentation alternative à la différence près que le pontage entre les deux voies est fait à l’intérieur de l’ASI. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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7.5.1.2. Les schémas de liaison à la terre en amont et en aval sont identiques, et il n’y a pas d’isolement galvanique. Le cas où il y a un isolement galvanique se ramène aux cas précédents avec en amont le même schéma qu’en aval. C’est pourquoi seul le cas où il n’y a pas d’isolement galvanique est développé ci-après. Pour le schéma TN-C Il n’y a rien de particulier à faire du fait de la continuité du conducteur de neutre. Le schéma aval peut même être en TN-S ou TT, sans qu’aucune disposition particulière ne soit nécessaire, comme il a été vu au paragraphe précédent.

Figure 123: Sans isolement galvanique, SLT identiques en amont et en aval. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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L’exemple de la figure « sans isolement galvanique, SLT identiques en amont et en avalpartie (a)» illustre le cas du TN-C amont TN-C aval pour une ASI sans transformateur. Pour les schémas amont et aval en TN-S, TT ou IT Le sectionnement et la coupure du neutre en amont de l’ASI lors de certaines séquences, isolent ce conducteur de la terre en aval de l’ASI. Cette disposition impose une réflexion particulière pour assurer la sécurité des personnes intervenant sur la partie secourue de l’installation. La figure 123 « sans isolement galvanique, SLT identiques en amont et en aval- partie (b)» relative au schéma TN-S illustre ce cas. La solution souvent préconisée est d’assurer une séparation galvanique sur toutes les voies. Dans ces conditions, les schémas possibles sont ceux vus dans les cas précédents pour lesquels les schémas en amont étaient indifférents. Toutefois, le problème mérite d’être analysé : pendant cette période les conditions de fonctionnement pour l’utilisation sont alors celles du schéma IT. Pour les biens ou les personnes, ce mode de fonctionnement ne présente pas de danger, à condition de s’assurer que les conditions de protection des personnes contre les contacts indirects sont satisfaites pour le schéma IT. Pour les appareils alimentés par l’ASI, ils doivent être prévus pour fonctionner avec ce schéma. En particulier, les condensateurs de filtrage pour la CEM, doivent pouvoir supporter la tension composée lors d’un défaut en schéma IT (voir le paragraphe 4.2). En ce qui concerne l’absence de CPI, bien que le fonctionnement se trouve dans les conditions du schéma IT, le fait qu’il n’y ait pas de CPI n’apporte pas de gêne à l’exploitant. Ce dispositif ne sert qu’à détecter le premier défaut, dans le but de pouvoir le réparer avant qu’un deuxième défaut n’entraîne la coupure de l’alimentation. Pour bénéficier de la meilleure continuité de service en schéma IT, il est possible de placer un CPI en aval de l’ASI et de ne le mettre en fonctionnement que lorsque la tension en amont disparaît. Le schéma de la figure 124 « SLT IT amont et aval, CPI2 mis en service par absence de tension amont » illustre cette possibilité d’où la présence du CPI 1. Le CPI 2 est mis en service par l’intermédiaire du relais R2 seulement lorsque les tensions en amont de l’ASI ont disparues. Malgré l’absence de tension en amont de l’ASI, il est possible et même très probable que le conducteur neutre ne soit pas interrompu. L’ouverture d’un disjoncteur se fait soit sur défaut, soit pour la maintenance. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Dans le cas où le CPI 2 risquerait d’être perturbé par le CPI 1, un relais R1 permet de le mettre hors service, lorsque la tension au secondaire du transformateur est nulle. Par ailleurs dans le cas du schéma TN-S, selon les pays, la coupure du neutre n’est pas toujours pratiquée. Si le neutre n’est pas coupé, il n’y a pas de problème particulier et tout se passe comme pour le schéma TN-C. La seule différence est qu’il y a un conducteur de neutre et un PE au lieu d’avoir un PEN (Figure 125 ; «SLT TN-S amont et aval »)

Figure 124: SLT IT amont et aval, CPI2 mis en service par absence de tension amont.

Figure 125: SLT TN-S amont et aval. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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7.5.1.3. Cas des ASI de petite puissance raccordées par prise. Pour ces appareils, il n’y a qu’une arrivée réseau, de ce fait les alimentations normale et by-pass (si elles existent) sont communes. Par ailleurs la liaison à la terre est obtenue par l’intermédiaire du fil vert - jaune du cordon qui présente toujours un risque de coupure ou de débranchement de la prise. A noter qu’insérer un transformateur d’isolement pour réaliser un SLT en aval de l’ASI différent du SLT en amont ne change pas ce risque. Dans le cas très général, où les schémas amont et aval sont identiques, sans d’ailleurs que l’utilisateur les connaisse, il n’y a rien de particulier à faire ; la sécurité des personnes est assurée par l’équipotentialité des masses. Il faut donc que toutes les prises en aval des ASI aient un contact de terre.

7.5.2. Application aux ASI mises en parallèle 7.5.2.1. Schémas de liaison à la terre en amont et en aval des ASI différents ASI avec isolement galvanique

Figure 126: l’isolement galvanique créé par les transformateurs placés en amont autorise des SLT différents, en amont et en aval des ASI. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Lorsque l’ASI dispose de transformateurs sur chacune des voies (ASI avec isolement galvanique), il suffit de recréer en aval le schéma souhaité, comme dans le cas des ASI unitaires. Dans le schéma de la figure 126 « l’isolement galvanique créé par les transformateurs placés en amont autorise des SLT différents, en amont et en aval des ASI »,.les transformateurs ont été placés en amont des chaînes RBO, c’est pourquoi il est noté TR (comme transformateur du redresseur). Il aurait été possible d’obtenir un isolement galvanique de cette voie avec un transformateur dans l’onduleur (TO). ASI sans isolement galvanique Si les ASI n’ont pas un isolement complet, il faut rajouter des transformateurs d’isolement sur les voies qui n’en ont pas. Il est possible d’utiliser un seul transformateur pour l’ensemble des alimentations 1 ainsi qu’un seul transformateur pour l’alimentation 2. Lorsque la mise en parallèle est utilisée pour améliorer la fiabilité, il est toutefois déconseillé d’utiliser un seul transformateur pour l’ensemble des alimentations 1, car il constitue un noeud de fiabilité. Pour l’alimentation 2, un seul transformateur suffit normalement car sa fiabilité est grande par rapport à celle du réseau. Lorsque le secours est unique et réalisé avec un NS, ce qui est la solution optimale pour la fiabilité, un seul transformateur pour l’alimentation 2 est nécessaire. La mise en parallèle d’appareils unitaires avec la mise en parallèle des CS, autorise plusieurs chemins pour les courants de neutre et de phase des circuits d’alimentation. Elle présente donc le risque d’une surcharge de certains conducteurs. La maîtrise de la répartition des courants dans chacun des conducteurs n’étant pas aisée, la suppression de ce risque est le plus souvent réalisée avec l’emploi d’un seul câble jusqu’au voisinage des ASI. Cas du contacteur statique unique - Cas d’ASI avec transformateur onduleur (TO) La figure 127 «cas d’ASI avec transformateur onduleur (TO)» illustre le cas du schéma TN-S en aval, et indifférent en amont. Dans ce cas il suffit de rajouter un transformateur dans la voie by-pass (TB) pour obtenir l’isolement complet. Cette disposition s’applique aussi bien à l’augmentation de puissance qu’à la redondance active. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Le transformateur dans la voie by-pass (TB) permet d’obtenir l’isolement complet d’un ensemble d’ASI avec transformateur onduleur (TO), autorisant ainsi des SLT différents, en amont et en aval des ASI.

Figure 127: Cas d’ASI avec transformateur onduleur (TO) - Cas d’ASI sans transformateur Dans ce cas, il faut ajouter un transformateur dans chacune des unités d’ASI ainsi que le transformateur sur la voie by-pass TB (figure 128 « cas d’ASI sans transformateur»). Il est préférable de placer les transformateurs en amont des redresseurs (TR) plutôt qu’en aval des onduleurs afin de préserver la qualité de la tension de sortie des onduleurs. Si la mise en parallèle ne sert qu’à augmenter la puissance, il est possible de n’utiliser qu’un seul transformateur TR en amont des redresseurs. Les transformateurs en amont des redresseurs (TR) permettent d’obtenir l’isolement complet d’un ensemble d’ASI sans transformateur et autorisent ainsi des SLT différents, en amont et en aval des ASI, tout en préservant la qualité de la tension de sortie.

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Figure 128: Cas d’ASI sans transformateur Cas des mises en parallèle avec une voie by-pass par unité d’ASI. De façon générale il faut placer des transformateurs sur les voies qui n’en ont pas. - Cas d’ASI avec transformateur d’isolement Dans ce cas et lorsqu’il s’agit d’une mise en parallèle redondante il faut placer des transformateurs sur chacune des voies. Comme dans l’exemple précédent, les transformateurs en amont des redresseurs TR sont préférables aux transformateurs en aval des onduleurs TO pour préserver la qualité de la tension délivrée par les onduleurs (figure 129 « mise en parallèle avec transformateurs amont indépendants ». La mise en parallèle d’ASI, chacune alimentée par un transformateur (TR) et ayant chacune une voie by-pass précédée d’un transformateur (TB) est effectuée afin d’obtenir l’isolement galvanique complet de l’ensemble et ainsi autoriser des SLT différents, en amont et en aval des ASI, tout en préservant la qualité de la tension de sortie.

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Figure 129: Mise en parallèle avec transformateurs amont indépendants Pour une augmentation de puissance, il est possible d’utiliser un transformateur pour les redresseurs et un transformateur pour les voies by-pass, et même d’utiliser un seul transformateur pour l’ensemble (figure 130 « mise en parallèle avec un seul transformateur amont »). Un seul transformateur placé en amont offre l’isolement galvanique complet de l’ensemble indispensable pour autoriser des SLT différents en amont et en aval des ASI mises en parallèle ayant chacune une voie by-pass. Dans ce cas toutefois il faut veiller à ce que la répartition des courants dans les différentes voies by-pass soit correcte dans les conducteurs des phases et de neutres. Si pour des raisons fonctionnelles le neutre est nécessaire pour le fonctionnement des redresseurs le problème devient encore un peu plus délicat car il y a alors deux fois plus de neutres disponibles. Cas du schéma TN-C amont avec schéma aval TN-S ou TT : Comme pour les appareils unitaires il n’y a pas de précaution particulière du fait de la continuité du neutre (figure 131 : «SLT amont et aval différents, TNC amont et TNS aval »).

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Figure 130: Mise en parallèle avec un seul transformateur

Figure 131: SLT amont et aval différents, TNC amont et TNS aval. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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7.5.2.2. Les schémas de liaison à la terre en amont et en aval sont identiques, et il n’y a pas d’isolement galvanique Comme pour les ASI unitaires, le cas où il y a un isolement galvanique ou que cet isolement galvanique est souhaité pour limiter les perturbations hautes fréquences transmises par les alimentations ou pour éviter les inconvénients possibles du fonctionnement en schéma IT pendant l’interruption du neutre, la situation est identique au cas précédent avec en amont le même schéma qu’en aval. C’est pourquoi seul le cas où il n’y a pas d’isolement galvanique est développé ci-après. Pour le SLT TN-C Il n’y a rien de particulier à faire du fait de la continuité du conducteur de neutre. Le SLT aval peut même être en TN-S ou TT, sans qu’aucune disposition particulière ne soit nécessaire, comme il a été vu au chapitre 2. La figure 132 «SLT amont et aval identiques » illustre le cas du TN-C amont TN-C aval pour une mise en parallèle redondante d’ASI sans transformateur.

Figure 132: SLT amont et aval identiques Pour les SLT TN-S, TT ou IT Comme pour les ASI unitaires, la seule difficulté provient de la coupure possible du conducteur de neutre. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Les remarques faites précédemment restent valables et les mêmes dispositions sont applicables. Exemple de la mise en parallèle d’unités d’ASI avec transformateur onduleur (TO) et CS unique (NS)

Figure 133: Exemples de la mise en parallèle de plusieurs unités d’ASI, [a] TN-S en amont et en aval avec transformateur onduleur (TO) et un seul contacteur statique, [b] TT amont et aval sans isolement avec un by-pass par unité. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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La figure 133 «exemples de la mise en parallèle de plusieurs unités d’ASI, [a] TN-S en amont et en aval avec transformateur onduleur (TO) et un seul contacteur statique, [b] TT amont et aval sans isolement avec un by-pass par unité.- partie (a)» illustre ce cas pour le schéma TN-S en amont et en aval. Dans ce cas s’il y a coupure du neutre (par exemple lors de l’ouverture d’un disjoncteur amont B ou Cb) le SLT aval devient IT, la protection des personnes est assurée et le CPI n’est pas obligatoire comme expliqué dans le paragraphe 4.3. Dans certains cas des précautions sont à prendre, en particulier avec le schéma TT avec lequel des déclenchements intempestifs de DDR peuvent se produire lorsque des câbles se trouvent en parallèle. Exemple de la mise en parallèle d’appareils sans isolement avec une voie by-pass par unité d’ASI. La même figure que précédemment (133) partie (b) illustre le cas du schéma TT amont et aval. Du fait de la mise en parallèle des deux voies by-pass, les courants dans les conducteurs de phase et de neutre des deux voies se répartissent en fonction des impédances des conducteurs et des contacteurs statiques. La somme des courants pour chacune des voies n’est pas nulle ce qui risque de faire déclencher les DDR s’ils sont placés sur ces voies. La solution consiste donc à placer un seul DDR commun en tête des deux voies ; ce DDR agit sur le disjoncteur commun B. Il est à noter qu’avec la mise en parallèle d’unités d’ASI avec un seul CS, ce problème est inexistant. Cependant, le nombre de configurations possibles étant important, il est recommandé de demander aux constructeurs de préciser quelles sont les précautions à prendre ainsi que l’appareillage associé.

7.5.3. Application aux STS 7.5.3.1. Principe et difficulté Les STS -Static Transfer Switches- sont des dispositifs de transferts statiques de sources (voir figure). Figure 134 : Commutation de l’alimentation d’une charge par contacteurs statiques entre deux sources distinctes. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Ils permettent d’améliorer la disponibilité de l’énergie pour des utilisations particulières qui peuvent être alimentées à partir de 2 sources différentes. Au départ une des sources est affectée à l’utilisation. En cas de défaillance de cette source, un transfert est réalisé par des contacteurs statiques pour que l’utilisation continue d’être alimentée par l’autre source. Les deux sources ainsi que l’utilisation n’ont pas forcément le même schéma de liaison du neutre. Lorsque les schémas des deux sources et de l’utilisation sont identiques, les conducteurs de neutre présentent une difficulté : s’ils sont reliés, ils risquent d’être traversés par des courants importants, et s’ils ne le sont pas il faut les commuter lors des transferts de source. Cette commutation peut se faire sans recouvrement, c’est-à-dire avec coupure de l’alimentation ou avec recouvrement pour éviter cette coupure. Mais alors un courant transitoire peut s’établir et provoquer, par exemple, l’ouverture de DDR s’il y en a, voire de disjoncteurs si le courant d’échange est important. Dans le cas où les SLT amont et aval sont différents, la situation est plus simple car il faut utiliser un ou plusieurs transformateurs et réaliser le schéma souhaité en aval du dispositif. La commutation ne fait alors intervenir que les conducteurs de phase.

7.5.3.2. Les schémas amont et aval sont différents Dans le cas très général où les deux sources et l’utilisation ont des SLT différents, la solution consiste à utiliser deux transformateurs d’isolement. Les figures qui suivent illustrent les cas des différentes possibilités de SLT aval pour des schémas amont indifférents. Figure 135 «SLT amont indifférents, avec SLT aval [a] TT, [b] TN-S, [c] TN-C, [d] IT ». Schéma aval TT (figure partie (a) : Les neutres des deux transformateurs sont reliés et reliés à une terre locale. Ce neutre commun est celui de l’utilisation, et le transfert de sources se fait à l’aide de CS triphasés, le neutre n’étant pas commuté. Le conducteur de protection PE de l’utilisation est relié à la terre locale de l’utilisation. Schéma aval TN-S (figure partie (b) : Les neutres des deux transformateurs sont reliés à la terre de l’utilisation. Ce neutre commun est celui de l’utilisation, et le transfert de sources se fait à l’aide de CS triphasés, le neutre n’étant pas commuté, comme dans le cas du schéma TT. Le conducteur PE est relié à cette terre. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Figure 135 : SLT amont indifférents, avec SLT aval [a] TT, [b] TN-S, [c] TN-C, [d] IT Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Schéma aval TN-C (figure partie (c) : Les neutres des deux transformateurs sont reliés à la terre de l’utilisation. A partir de cette prise de terre le conducteur commun de protection et de neutre est distribué. Le transfert de sources se fait à l’aide de CS triphasés, le neutre n’étant pas commuté surtout dans ce cas où il est interdit de l’interrompre puisqu’il sert aussi de conducteur de protection. Schéma aval IT (figure partie (d) : Les neutres des 2 transformateurs sont reliés mais isolés de la terre (impédants). Le conducteur PE est tiré à partir de la terre locale. Un CPI est connecté entre le neutre commun et la terre pour surveiller l’isolement de l’installation. Dans le cas où les sources ont le même schéma, et que l’utilisation a un schéma différent, il est évidemment possible d’utiliser la disposition précédente, mais il est également possible de n’utiliser qu’un seul transformateur. Il faut toutefois que les neutres des deux sources soient reliés à la même terre. Dans le cas du schéma IT, les neutres sont évidemment isolés de la terre. Ils doivent être reliés ensemble si un seul CPI contrôle l’installation. Un peu moins intéressante sur le plan de la disponibilité, puisque le transformateur commun est un noeud de fiabilité, cette disposition à l’avantage d’être plus économique. Dans ce cas, le schéma aval est réalisé au secondaire du transformateur. Le transfert de source se fait également en triphasé, le neutre n’étant pas utilisé. Détails de raccordement La figure 136 «cas de SLT TT amont et TN-S aval ».indique comment les connexions sont réalisées dans le cas d’un schéma TT amont et TN-S aval. La figure 137 «cas de SLT IT amont et TN-S aval » indique comment les connexions sont réalisées dans le cas d’un schéma IT amont et TN-S aval. Ici les deux CPI contrôlent l’isolement par rapport à la même terre à laquelle est raccordé le conducteur de protection PE. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Figure 136 : Cas de SLT TT amont et TN-S aval.

Figure 137 : Cas de SLT IT amont et TN-S aval

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Cas particulier du schéma TN-C amont et TN-S aval (Figure 138 « cas de SLT TN-C amont et TN-S aval)

Figure 138 : Cas de SLT TN-C amont et TN-S aval Cette fois le transformateur n’est pas nécessaire du fait de la continuité du neutre. Le conducteur PEN est séparé en N et PE au niveau du bornier de sortie du STS.

7.5.3.3. Les schémas amont et aval sont identiques Il n’y a pas d’inconvénient à utiliser des transformateurs comme précédemment, mais il est possible de s’en dispenser en prenant les précautions qui suivent. Pour tous les SLT, excepté le schéma IT : : Les neutres des transformateurs doivent être reliés à la même prise de terre afin que le STS et l’utilisation aient le même conducteur de protection PE que les sources. Si cette liaison n’est pas réalisée, le PE utilisé pour le STS et son utilisation appartiennent seulement à l’une des sources, ce qui ne permet pas de garantir le fonctionnement correct des protections en cas de défaut d’isolement. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Si cette disposition n’est pas possible, il faut au minimum interconnecter les terres des deux sources au niveau des tableaux BT amont. Pour le schéma IT : Pour la même raison, la prise de terre des deux sources doit être la même. Par ailleurs il est souhaitable que les neutres des transformateurs soient reliés afin d’éviter de brusques variations de potentiel des conducteurs actifs de l’utilisation lors des transferts de source. Ceci implique que l’ensemble de l’installation soit surveillé par un seul CPI. Si le neutre n’est pas distribué en aval : Il suffit de faire des transferts tripolaires comme pour les cas précédents. Si le neutre est distribué en aval, il convient de commuter également ce conducteur sauf dans le cas du schéma TN-C pour lequel le neutre et le conducteur de protection sont confondus. Le cas de cette disposition est représenté dans la figure 139 «avec le SLT TNC, il n’est pas nécessaire de commuter le Neutre même s’il est distribué en aval ». .

Figure 139 : Avec le SLT TN-C, il n’est pas nécessaire de commuter le Neutre même s’il est distribué en aval

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Pour les autres cas : La commutation du neutre se justifie en raison des courants de circulation importants qui peuvent siéger dans ce conducteur s’il est relié de façon permanente aux deux sources (figure 140 «hors le cas des SLT TN-C, la commutation du neutre se justifie en raison des courants de circulation importants qui peuvent parcourir ce conducteur »). Sur le schéma ci-contre, les utilisations 1 et 2, sans exigence d’exploitation, font circuler dans le neutre des courants In1 et In2. Si les neutres sont reliés de façon permanente, il y a des courants de circulation entre ces deux conducteurs, puisqu’il y a deux chemins possibles de retour vers les sources. Si les courants In1 et In2 sont très différents, les courants de circulation peuvent avoir des valeurs importantes et même dépasser dans certains cas les calibres des STS. Si le schéma commun est en TN-S ou IT, les protections contre les surcharges fonctionneront, mais au détriment de la continuité de service ! En TT, ce sont les DDR qui voient un courant homopolaire permanent, même sur les disjoncteurs de tête des sources.

Figure 140 : Hors le cas des SLT TN-C, la commutation du neutre se justifie en raison des courants de circulation importants qui peuvent parcourir ce conducteur Il faut donc commuter les neutres, et pour cela il y a deux possibilités : 1- Cette commutation se fait sans recouvrement. Il n’y a alors pas de mise en parallèle de ces conducteurs même de façon transitoire, mais le temps de transfert peut dépasser 10 ms. De plus, il y a un court instant pendant lequel le potentiel du neutre de l’utilisation du STS concerné est indéterminé, et le maintien de l’équilibre des tensions simples n’est plus Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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garanti. Il faut donc s’assurer que ces perturbations sont acceptables pour l’ensemble des appareils alimentés. 2- Cette commutation se fait avec recouvrement. Le transfert est plus rapide (quelques ms) et le potentiel du neutre de l’utilisation reste fixé pendant la commutation. Pour garantir ce recouvrement des neutres, une des solutions possibles est de placer, en parallèle avec les thyristors de chaque CS, un contacteur qui en assure la continuité. En effet, si le courant s’annule dans l’un des thyristors du CS du neutre, la mise en conduction du thyristor inverse ne peut se faire que lorsque la tension à ses bornes a atteint une valeur suffisante, ce qui signifie que le potentiel du neutre est différent de celui de la source. De plus, un courant d’échange transitoire apparaît, et il faut s’assurer qu’il est sans inconvénient pour l’installation en particulier dans le cas du schéma TT avec les DDR qui « voient » ce courant. Ceux-ci, pour ne pas déclencher intempestivement, doivent avoir un seuil approprié ou une temporisation (figure 141 «dispositif différentiel super immunisé type siE (Interrupteur différentiel ID, marque Merlin Gerin »). Figure 141 : Dispositif différentiel super immunisé type siE (Interrupteur différentiel ID, marque Merlin Gérin)

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7.6. PROTECTION CONTRE LES CONTACTS INDIRECTS POUR LES CIRCUITS CC ET LA BATTERIE La batterie, réserve d’énergie indispensable à une ASI statique, doit être isolée de la terre, car ce mode d’exploitation favorise la continuité de service. En l’absence de transformateur, et du fait de l’emploi de semi-conducteurs dans les ASI statiques, il existe une continuité électrique entre l’installation amont, l’ASI et l’installation aval, d’où : un défaut d’isolement des circuits CC peut être détecté par les dispositifs de protection des installations amont et aval ; ces dispositifs de protection peuvent être perturbés par la présence d’un défaut d’isolement sur les circuits CC. Mais dans certaines séquences de fonctionnement, la batterie et les circuits à courant continu peuvent être complètement isolés des installations amont et aval. Selon la CEI 60364 et la NF C 15-100, un contrôle spécifique de ces circuits n’est pas obligatoire si : une équipotentialité entre les éléments conducteurs du bâtiment et les masses existe ce qui est le cas lorsque la batterie et les circuits à courant continu sont dans le même local, dans des armoires électriques ou dans la même armoire que les autres composants de l’ASI (équipotentialité locale de l’ASI) ; si l’installation est faite en cohérence avec le chapitre 413-2 de CEI 60364-4-41 ou du chapitre 412 de la NF C 15-100 (par exemple isolation supplémentaire par liaison de classe II lorsque la batterie est éloignée du reste de l’alimentation). De plus dans les autres cas, les conditions imposées à l’installation (CEI 60364-5-55 et NF C 15-100 §554-2) de la batterie et de sa connexion jusqu’au disjoncteur « batterie », rendent le risque de défaut hautement improbable ; ce qui est considéré comme suffisant pour assurer la protection des personnes contre les contacts indirects sur cette portion d’installation. Il reste donc à examiner les moyens à mettre en oeuvre pour assurer la protection des personnes sur la partie d’installation CC qui peut présenter des risques ; cette partie étant délimitée par le redresseur, l’onduleur et le disjoncteur « batterie ».

7.6.1. Dispositifs de contrôle des circuits CC Comme indiqué précédemment, la batterie d’accumulateurs d’une ASI est à polarités isolées. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Aussi les contrôleurs permanents d’isolement « CPI » sont les dispositifs les plus employés pour surveiller les circuits CC, mais selon les schémas de liaison du neutre des installations en alternatif les DDR peuvent également être utilisés.

7.6.1.1. Les contrôleurs permanents d’isolement Contrôleur permanent d’isolement à injection de courant à basse fréquence (2, 5 ou 10 Hz). Figure 142 «schéma de principe d’un contrôleur permanent d’isolement -CPI- à injection de courant».

Figure 142 : Schéma de principe d’un contrôleur permanent d’isolement -CPI- à injection de courant Son principe : il applique une source de tension alternative à basse fréquence entre une des polarités des circuits CC et la terre ; l’apparition d’un défaut d’isolement sur les circuits CC fait circuler un courant qui est détecté par les circuits de mesure Figure 143 :«Vigilohm XM200, un CPI à injection de courant à basse fréquence et Vigilohm TR22A, un CPI à injection de courant continu (marque Merlin Gerin) ». Figure 143 : Vigilohm XM200, un CPI à injection de courant à basse fréquence et Vigilohm TR22A, un CPI à injection de courant continu (marque Merlin Gerin) Ces contrôleurs, qui surveillent aussi bien les réseaux à courants alternatifs, mixtes et continus, permettent aussi la recherche des défauts d’isolement. Ils sont donc préconisés si : il existe un véritable réseau courant continu (plusieurs utilisations), ce qui n’est pas le cas des ASI ; il n’y a pas isolement galvanique entre la batterie et l’installation aval à l’ASI. Contrôleur permanent d’isolement à injection de courant continu : Le principe est le même que celui utilisé par les CPI précédemment cités mais sa source délivre un courant continu. Ce type de CPI, très précis pour la surveillance des réseaux à courant alternatif ne convient pas pour les circuits à courant continu, car la tension continue apparaissant lors d’un défaut d’isolement modifie la sensibilité du dispositif à seuil du contrôleur. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Il est généralement déconseillé sur les réseaux mixtes (CA et CC). Certains CPI à injection de courant continu sont cependant capables de signaler la présence d’un défaut sur la partie « continu » d’un réseau (figure 143 « Vigilohm TR22A»). Contrôleur permanent d’isolement à balance voltmétrique Figure 144 «schéma de principe d’un contrôleur permanent d’isolement -CPI- à balance voltmétrique ». C’est un contrôleur permanent d’isolement, passif.

Figure 144 : Schéma de principe d’un contrôleur permanent d’isolement -CPI- à balance voltmétrique Il est constitué d’un diviseur résistif créant un point milieu pour la tension continue. Le circuit de détection de défaut est placé entre ce point milieu et la terre. Un défaut d’isolement sur le (+) ou sur le (-) fait circuler un courant à la terre à travers une des résistances et le circuit de détection qui, associé à un dispositif à seuil, permet une alarme ou un déclenchement (figure 145: «le Vigilohm TR5, un CPI à balance voltmétrique (marque Merlin Gerin).

Figure 145 : Le Vigilohm TR5, un CPI à balance voltmétrique (marque Merlin Gerin)

7.6.1.2. Les dispositifs différentiels à courant résiduel (DDR) Ils sont destinés à détecter tout courant anormal de défaut à la terre. Des précautions sont cependant à prendre lors de leur choix lorsque l’installation a une partie en courant alternatif et une partie en courant continu sans séparation galvanique (réseau mixte). Selon la norme CEI 60755 il y a 3 classes de DDR

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LES DDR de classe AC : ils ne fonctionnent qu’en alternatif pur Les DDR de classe B : ils fonctionnent avec toutes les formes de courant de défaut y compris avec du continu pur Les DDR de classe A : ils peuvent fonctionner avec des courants non alternatifs selon les diagrammes de la figure 146 «différentes formes de courants de défaut non alternatifs applicables aux DDR de classe A».

Figure 146 : Différentes formes de courants de défaut non alternatifs applicables aux DDR de classe A

Avec des redresseurs monophasés, les courants de défauts sur le circuit continu sont le plus souvent d’une allure compatible avec des DDR de type A. Toutefois avec certains schémas, le courant de défaut peut être continu, ce qui nécessite des DDR de type B. Enfin, dans la plupart des cas, les courants de défaut sur le continu pour des redresseurs triphasés sont continus. Ils nécessitent donc l’emploi de DDR de type B (figure 147 «différentes formes de courants de défaut nécessitant des DDR de classe B »). Il est donc nécessaire de consulter le constructeur pour savoir quel type de DDR doit être associé au convertisseur, à moins que celui-ci ne l’indique dans sa notice d’installation.

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Figure 147 : Différentes formes de courants de défaut nécessitant DDR de classe B

7.6.1.3. Perturbations dues aux filtres Des filtres CEM à base de condensateurs raccordés à la terre, se rencontrent couramment devant les ordinateurs et les ASI. Ils peuvent perturber les dispositifs de protection (alarmes et/ou déclenchements indésirables), en particulier : avec des DDR, ils sont souvent la cause de fonctionnements intempestifs : - en service (courant de fuite à la terre dû au déséquilibre des capacités entre phases et terre), le seuil des DDR doit être alors augmenté. - à la mise sous tension (charge de leurs capacités), mais une temporisation des DDR suffit pour y remédier ; avec des CPI, ils peuvent parfois provoquer : Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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- une signalisation passagère de défaut lors de la mise sous tension pour les CPI à injection de courant continu (charge des condensateurs), - voire une signalisation permanente avec des CPI à injection de courant alternatif. Pour éviter ces phénomènes, à titre indicatif, ces filtres ne doivent pas avoir une capacité totale dépassant : - 30 μF pour un CPI à injection de 2,5 Hz, - 6 μF pour un CPI à injection de 10 Hz.

7.6.1.4. Perturbations dues aux courants de fuite haute fréquence - HF Bien que les courants haute fréquence émis par les ASI soient de niveaux faibles conformément à la norme CEI 62040-2, il se peut que certains dispositifs différentiels soient perturbés et présentent des déclenchements intempestifs. De plus lors de certaines séquences de fonctionnement, les dispositifs différentiels peuvent être traversés par les courants HF des utilisations raccordées en aval de l’ASI ou même par la somme des courants de l’ASI et des utilisations. Pour éviter ces difficultés il est recommandé d’utiliser des DDR immunisés contre ce type de perturbations. Nota : Les contrôleurs d’isolement à injection de courant à basse fréquence ne sont pas perturbés par ces courants de fuite.

7.6.1.5. Interaction entre les dispositifs de contrôle des circuits CC et ceux des installations amont et aval Cette interaction est directement liée au schéma de l’ASI, elle dépend en particulier : de la présence ou non d’un contacteur statique, du nombre d’ASI, une seule ou plusieurs en redondance passive ou active, de la présence ou non de transformateurs d’isolement galvanique TR ou TO. Cette interaction est directement dépendante des dispositifs de protection choisis et des SLT des installations « amont » et « aval ». Il est à noter que : pour le schéma le plus courant (ASI unitaire, sans transformateur sur le by-pass) il est impératif d’avoir en aval le même schéma de liaison du neutre qu’en amont de l’ASI ; ce qui n’exclut pas le passage de TNC à TN-S ou de TN à TT ;

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pour la continuité de service, le schéma IT en aval (et en amont) est la meilleure solution. Cette interaction peut être : positive, par exemple le dispositif de protection amont surveille également les circuits à courant continu ; négative : - entre deux CPI Comme sur les circuits en alternatif, deux appareils de même type raccordés sur deux parties d’une installation non séparées électriquement, se perturbent mutuellement. Il faut donc empêcher cette éventualité, avec un relais tel R1 sur le schéma de la figure &23. « SLT IT amont et aval, CPI2 mis en service par absence de tension amont » au § 7.5.1.2 - entre un CPI à injection et un CPI à balance voltmétrique Un CPI à injection de courant continu ou à basse fréquence va mesurer la résistance interne (R/2) d’un dispositif à balance voltmétrique (quelques dizaines de kΩ). Placés de part et d’autre d’un convertisseur de puissance (redresseur ou onduleur) sans isolement galvanique, la perturbation de l’un par l’autre sera directement dépendante du taux de conduction des semi-conducteurs du convertisseur. ou nulle : - s’il y a isolement galvanique entre la batterie et les installations (en alternatif) amont et aval, - entre CPI et DDR ou disjoncteur.

7.6.2. Principaux cas d’application Les solutions préconisées dans ce paragraphe complètent les dispositions à prendre, pour la protection des personnes sur les installations en aval de l’ASI. Sauf exception, elles sont à appliquer au niveau de chaque chaîne de l’ASI. Lorsqu’une ASI comporte des circuits CC non isolés des installations amont et/ou aval, et lorsque la protection des personnes rend nécessaire l’utilisation de DDR, ceux-ci doivent être de type A ou B (cf. § précédents). D’une façon générale lorsque les circuits CC sont isolés des installations amont et aval, il y a lieu d’utiliser un CPI : le CPI 3. Lorsque les circuits CC ne sont pas isolés, la protection des personnes est à étudier selon les liaisons électriques de ces circuits avec les installations amont et aval, d’où les différents cas suivants. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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7.6.2.1. Circuits CC isolés des installations amont et aval (Présence des transformateurs TR et TO – figure 148 «surveillance de l’isolement d’une chaîne d’ASI avec batterie d’accumulateurs isolée des installations amont et aval».) Il n’y a pas d’interaction des dispositifs de contrôle. Figure 148: Surveillance de l’isolement d’une chaîne d’ASI avec batterie d’accumulateurs isolée des installations amont et aval Le CPI 3 destiné à surveiller l’isolement des circuits CC peut être à balance voltmétrique ou à injection de courant à basse fréquence. La protection au second défaut est alors assurée : par le disjoncteur H lorsque l’ASI est autonome ; par le disjoncteur H et la protection amont (ou interne) au redresseur lorsque l’ASI est alimentée.

7.6.2.2. Circuits CC non isolés de l’installation amont (Présence d’un transformateur TO, mais pas de TR) Pour les cas qui suivent, de façon générale, lorsque la tension d’alimentation est présente la protection est assurée par les dispositifs amont. Lorsque cette tension disparaît, les circuits CC sont isolés de l’amont (redresseur bloqué) et de l’aval (par TO). Ces circuits sont donc temporairement en schéma IT. Comme il a été vu dans le chapitre précédent, ce mode de fonctionnement ne pose pas de problème pour la sécurité puisqu’il apporte même une tolérance au premier défaut. En cas de deuxième défaut le disjoncteur batterie et/ou les protections internes de l’onduleur assurent la protection. Si toutefois une surveillance de ces circuits et en particulier de la batterie est souhaitée en cas d’autonomie longue ou en cas de batterie éloignée de l’ASI, l’absence de tension fait que le redresseur est alors bloqué et que les circuits CC sont isolés. Un CPI peut alors être prévu pour signaler le premier défaut d’isolement sur ces circuits CC. Il s’agit du CPI 3 sur les figures suivantes qui est connecté automatiquement par un relais de tension (R3). Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Installation amont exploitée en schéma TT : Figure 149 : Surveillance de l’isolement d’une chaîne d’ASI avec batterie d’accumulateurs non isolée de l’installation amont exploitée en schéma TTet isolée de l’installation aval En présence de tension en amont du redresseur, le DDR placé sur l’alimentation de l’ASI assure la protection en provoquant l’ouverture du disjoncteur C. Nota : mis en service par le relais R3, le CPI 3 surveille l’isolement des circuits CC lorsqu’ils sont isolés. Installation amont exploitée en schéma TN : Figure 150 : surveillance de l’isolement d’une chaîne d’ASI avec batterie d’accumulateurs non isolée de l’installation amont exploitée en schéma TN ou IT, et isolée de l’installation aval. En présence de tension en amont du redresseur, la protection des personnes peut être assurée par : le disjoncteur C placé sur l’alimentation de l’ASI, si le calcul de l’impédance de la boucle de défaut a permis de confirmer son choix, un DDR ou une interconnexion supplémentaire dans le cas contraire, avec le schéma TN-S. Nota : mis en service par le relais R3, le CPI 3 surveille l’isolement des circuits CC lorsqu’ils sont isolés. Installation amont exploitée en schéma IT : Figure 150, la même que ci dessus En présence de tension en amont du redresseur, le CPI 1 de l’installation amont contrôle l’isolement des circuits CC (interaction positive). Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Nota : mis en service par le relais R3, le CPI 3 surveille l’isolement des circuits CC lorsqu’ils sont isolés. La protection au second défaut est alors assurée : lorsque l’ASI est alimentée par le disjoncteur C placé sur l’alimentation de l’ASI, si le calcul de l’impédance de la boucle de défaut a permis de confirmer son choix, ou par un DDR dans le cas contraire ; pendant l’autonomie, par le disjoncteur batterie. Cas particuliers des ASI alimentées par l’intermédiaire de prises de courant, de courant assigné au plus égal à 32 A. De telles prises de courant sont à protéger par un DDR à haute sensibilité, IΔn < 30 mA (NF C 15-100 § 532). Aussi, lorsque ces ASI ne comportent pas un transformateur TR et que des mesures particulières (classe II, double isolation) ne sont pas mises en oeuvre, il convient de réaliser cette protection avec un DDR de type A, à haute sensibilité.

7.6.2.3. Circuits CC non isolés de l’installation aval (Présence d’un transformateur TR, mais pas de TO) Dans ce cas, si les schémas de neutre en amont et en aval de l’ASI sont différents, il y a lieu de placer un transformateur d’isolement TB. Installation aval exploitée en schéma TT : sans TB En présence de tension en amont du redresseur, le DDR placé sur le by-pass assure la protection en cas de défaut sur les circuits CC en provoquant l’ouverture du disjoncteur H de batterie et des disjoncteurs C et Cb placés sur l’alimentation de l’ASI (figure 151 : «dispositifs de protection des personnes d’une chaîne d’ASI pour les circuits CC isolés de l’installation amont et non isolés de l’installation aval exploitée en schéma TT, sans transformateur TB »). Lorsque cette tension disparaît, les circuits CC ainsi que l’installation aval continuent à être protégés par ce même DDR si le conducteur de neutre n’est pas interrompu. Cela nécessite que l’alimentation auxiliaire de ce DDR soit prise en aval de l’ASI. Si le conducteur de neutre est interrompu, les circuits CC ainsi que l’installation aval se trouvent dans les conditions du schéma IT.

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Figure 151 : Dispositifs de protection des personnes d’une chaîne d’ASI pour les circuits CC isolés de l’installation amont et non isolés de l’installation aval exploitée en schéma TT, sans transformateur TB. avec TB

Figure 152 : Dispositifs de protection des personnes d’une chaîne d’ASI pour les circuits CC isolés de l’installation amont et non isolés de l’installation aval exploitée en schéma TT, avec transformateur TB. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Cette même protection est alors assurée en permanence par un DDR placé sur la liaison du neutre à la terre en sortie de l’ASI (figure 152 «dispositifs de protection des personnes d’une chaîne d’ASI pour les circuits CC isolés de l’installation amont et non isolés de l’installation aval exploitée en schéma TT, avec transformateur TB »). Avec ou sans TB, ces dispositions présentent toutefois l’inconvénient de provoquer la coupure totale d’alimentation des utilisations. Aussi, lorsque la continuité de service est indispensable et en particulier dans le cas d’ASI redondantes, les dispositions suivantes peuvent être prises. Elles consistent à isoler la chaîne en défaut du reste de l’installation et pour cela : en permanence chaque sortie de chaîne est surveillée par un DDR qui assure la protection en provoquant l’ouverture des disjoncteurs C et H et de l’interrupteur ou du disjoncteur J de la chaîne en défaut (figure 153 «dispositions à prendre pour isoler une chaîne d’ASI en cas de défaut d’isolement, pour des ASI isolées de l’installation amont et non isolées de l’installation aval exploitée en schéma TT) ; s’il n’y a pas le transformateur TB, la sélectivité doit être vérifiée entre le DDR amont et les DDR aval. Si l’interrupteur G de sortie est commandable à l’ouverture il n’est pas nécessaire de rajouter le dispositif J, le DDR pouvant agir directement sur lui.

Figure 153: Dispositions à prendre pour isoler une chaîne d’ASI en cas de défaut d’isolement, pour des ASI isolées de l’installation amont et non isolées de l’installation aval exploitée en schéma TT

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Installation aval exploitée en schéma TN La protection des personnes est normalement assurée, dès l’apparition d’un défaut d’isolement, par l’ouverture des disjoncteurs C et H. Si les conditions nécessaires au bon fonctionnement des disjoncteurs ne sont pas remplies (schéma TNS en particulier), les dispositions prévues au paragraphe précédent (schéma TT) sont à mettre en place. Installation aval exploitée en schéma IT : La surveillance des circuits CC, est assurée par : le CPI 1, lorsque le by-pass maintient la continuité électrique, le CPI 2, lorsque l’ASI alimente les utilisations en autonomie (figure 154 «dispositifs de protection des personnes d’une chaîne d’ASI pour les circuits CC isolés de l’installation amont et non isolés de l’installation aval exploitée en schéma IT, sans transformateur TB).

Figure 154 : Dispositifs de protection des personnes d’une chaîne d’ASI pour les circuits CC isolés de l’installation amont et non isolés de l’installation aval exploitée en schéma IT, sans transformateur TB Ce CPI2 est mis en service par l’intermédiaire du relais R2 seulement lorsque la tension en amont du by-pass a disparu. Malgré l’absence de tension en amont, il est possible et même très probable que le conducteur neutre n’est pas interrompu. L’ouverture d’un disjoncteur se fait soit sur défaut, soit pour la maintenance. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Dans le cas où le CPI 2 risque d’être perturbé par le CPI 1, un relais R1 permet de le mettre hors service lorsque la tension au secondaire du transformateur est nulle. La protection au second défaut est alors assurée comme : en schéma TN si les masses sont reliées, en schéma TT si les masses ne sont pas reliées.

7.6.2.4. Circuits CC non isolés des installations amont et aval Dans ce cas, les schémas de neutre en amont et en aval de l’ASI sont obligatoirement identiques. Installations exploitées en schéma TT : (Figure 155 «protection des personnes pour les circuits CC d’une chaîne d’ASI non isolée des installations amont et aval exploitées en schéma TT -Disposition de base-)

Figure 155 : Protection des personnes pour les circuits CC d’une chaîne d’ASI non isolée des installations amont et aval exploitées en schéma TT -Disposition de baseEn présence de tension en amont du redresseur et du by-pass, le DDR placé sur l’alimentation commune assure la protection en provoquant l’ouverture des disjoncteurs C et Cb et du disjoncteur batterie H. En cas de disparition de la tension en amont de l’ASI et si le conducteur de neutre n’est pas interrompu, ce DDR continue à assurer la protection pourvu que son alimentation soit prise en sortie de l’ASI. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Si le conducteur de neutre est interrompu, le fonctionnement se fait selon le schéma IT. Cette disposition présente toutefois l’inconvénient de provoquer la coupure totale d’alimentation des utilisations. Lorsque la continuité de service est indispensable et en particulier dans le cas des ASI redondantes, les dispositions de la figure 156 («protection des personnes pour les circuits CC d’une chaîne d’ASI non isolée des installations amont et aval exploitées en schéma TT -Disposition pour optimiser la continuité de service ») doivent être réalisées. Les DDR placés en amont du redresseur et en aval de l’onduleur de chaque chaîne provoquent l’ouverture des disjoncteurs C et J de chacune des chaînes. La sélectivité entre ces DDR et celui en amont de la voie by-pass doit être vérifiée pour assurer la disponibilité de cette voie.

Figure 156 : Protection des personnes pour les circuits CC d’une chaîne d’ASI non isolée des installations amont et aval exploitées en schéma TT -Disposition pour optimiser la continuité de service Installations exploitées en schéma TN : La protection des personnes est normalement assurée, dès l’apparition d’un défaut d’isolement, par l’ouverture des disjoncteurs C et H. Si les conditions nécessaires au bon fonctionnement des disjoncteurs ne sont pas remplies, par exemple en schéma TNS il faut prendre les dispositions du paragraphe précédent (schéma TT).

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Installation aval exploitée en schéma IT La surveillance des circuits CC, est assurée par : le CPI 1, lorsque la tension est présente en amont de l’ASI, le CPI 2, lorsque l’ASI alimente les utilisations en autonomie (figure 157 «protection des personnes pour les circuits CC d’une chaîne d’ASI non isolée des installations amont et aval exploitées en schéma IT »). Le CPI 2 est mis en service par l’intermédiaire du relais R2 seulement lorsque la tension en amont a disparu. Malgré l’absence de tension en amont, il est possible et même très probable que le conducteur neutre ne soit pas interrompu. L’ouverture d’un disjoncteur se fait soit sur défaut, soit pour la maintenance. Dans le cas où le CPI 2 risque d’être perturbé par le CPI 1, un relais R1 le met hors service lorsque la tension au secondaire du transformateur est nulle. La protection au second défaut est alors assurée comme : en schéma TN si les masses sont reliées, en schéma TT si les masses ne sont pas reliées.

Figure 157 : Protection des personnes pour les circuits CC d’une chaîne d’ASI non isolée des installations amont et aval exploitées en schéma IT Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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7.7. CONCLUSION La mise en oeuvre de matériels destinés à la protection des personnes contre les contacts indirects sur des réseaux comportant des circuits CC s’avère effectivement plus délicate qu’il n’y paraît au premier abord. Il convient donc d’être très attentif aux différentes configurations pouvant être installées ou pouvant apparaître en cours d’exploitation, par exemple lors d’un défaut. C’est pourquoi l’emploi de matériels accompagnés d’une documentation sérieuse et l’aide de spécialistes ou d’installateurs professionnels apportent souvent une réponse complète et sûre pour un besoin défini dans une configuration donnée. Ce chapitre est une reprise du cahier technique129 de Schneider ; si vous souhaitez des informations sur les harmoniques amont et aval de ASI, voyez les cahiers 159 et 160.

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8. CONVERTISSEURS VARIATEURS DEMARREURS 8.1. INTRODUCTION - CONVERTISSEURS Le démarrage en direct sur le réseau de distribution des moteurs asynchrones est la solution la plus répandue et est souvent convenable pour une grande variété de machines. Cependant, elle s’accompagne parfois de contraintes qui peuvent s’avérer gênantes pour certaines applications, voire même incompatible avec le fonctionnement souhaité au niveau de la machine : appel de courant au démarrage pouvant perturber la marche d’autres appareils connectés sur le même réseau, à-coups mécaniques lors des démarrages, inacceptables pour la machine ou pour le confort et la sécurité des usagers, impossibilité de contrôler l’accélération et la décélération, impossibilité de faire varier la vitesse. Les démarreurs et les variateurs de vitesse suppriment ces inconvénients. La technologie électronique leur a donné plus de souplesse et a étendu leur champ d’application. Mais encore faut-il bien les choisir. Tout l’objet de ce chapitre est de mieux faire connaître ces dispositifs pour faciliter leur définition en cours de conception d’équipement ou pour améliorer voire remplacer un ensemble moteur / appareillage de commande et de protection.

8.2. HISTORIQUE ET RAPPEL 8.2.1. Historique Pour démarrer les moteurs électriques et contrôler leur vitesse, les démarreurs rhéostatiques, les variateurs mécaniques et les groupes tournants (Ward Leonard en particulier) ont été les premières solutions ; puis les démarreurs et variateurs électroniques se sont imposés dans l’industrie comme la solution moderne, économique, fiable et sans entretien. Un variateur ou un démarreur électronique est un convertisseur d’énergie dont le rôle consiste à moduler l’énergie électrique fournie au moteur.

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Les démarreurs électroniques sont exclusivement destinés aux moteurs asynchrones. Ils font partie de la famille des gradateurs de tension. 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 (redresseur + onduleur à fréquence contrôlée). 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. 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).

8.2.2. Principales fonctions démarreurs et variateurs de vitesse électroniques 8.2.2.1. Accélération contrôlée La mise en vitesse du moteur est contrôlée au moyen d’une rampe d’accélération linéaire ou en « S ». Cette rampe est généralement réglable et permet par conséquent de choisir le temps de mise en vitesse approprié à l’application.

8.2.2.2. Variation de vitesse Un variateur de vitesse peut ne pas être en même temps régulateur. Dans ce cas, c’est un système, rudimentaire, qui possède une commande élaborée à partir des grandeurs électriques du moteur avec amplification de puissance, mais sans boucle de retour : il est dit « en boucle ouverte ». La vitesse du moteur est définie par une grandeur d’entrée (tension ou courant) appelée consigne ou référence. Pour une valeur donnée de la consigne, cette vitesse peut varier en fonction des perturbations (variations de la tension d’alimentation, de la charge, de la température). La plage de vitesse s’exprime en fonction de la vitesse nominale.

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8.2.2.3. Régulation de vitesse Un régulateur de vitesse est un variateur asservi (voir figure). Il possède un système de commande avec amplification de puissance et une boucle de retour : il est dit « en boucle fermée ». La vitesse du moteur est définie par une consigne. La valeur de la consigne est en permanence comparée à un signal de retour, image de la vitesse du moteur. Ce signal est délivré par une génératrice tachymétrique ou un générateur d’impulsions monté en bout d’arbre du moteur. Figure 158 : Principe de la régulation de vitesse Si un écart est détecté suite à une variation de la vitesse, les grandeurs appliquées au moteur (tension et / ou fréquence) sont automatiquement corrigées de façon à ramener la vitesse à sa valeur initiale. Grâce à la régulation, la vitesse est pratiquement insensible aux perturbations. La précision d’un régulateur est généralement exprimée en % de la valeur nominale de la grandeur à réguler.

8.2.2.4. Décélération contrôlée Quand un moteur est mis hors tension, sa décélération est due uniquement au couple résistant de la machine (décélération naturelle). Les démarreurs et variateurs électroniques permettent de contrôler la décélération au moyen d’une rampe linéaire ou en « S », généralement indépendante de la rampe d’accélération. Cette rampe peut être réglée de manière à obtenir un temps de passage de la vitesse en régime établi à une vitesse intermédiaire ou nulle : Si la décélération désirée est plus rapide que la décélération naturelle, le moteur doit développer un couple résistant qui vient s’additionner au couple résistant de la machine, on parle alors de freinage électrique qui peut s’effectuer soit par renvoi d’énergie au réseau d’alimentation, soit par dissipation dans une résistance defreinage. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Si la décélération désirée est plus lente que la décélération naturelle, le moteur doit développer un couple moteur supérieur au couple résistant de la machine et continuer à entraîner la charge jusqu’à l’arrêt.

8.2.2.5. Inversion du sens de marche La majorité des variateurs actuels permettent cette fonction en standard. L’inversion de l’ordre des phases d’alimentation du moteur est réalisée automatiquement soit par inversion de la consigne à l’entrée, soit par un ordre logique sur une borne, soit par une information transmise par une connexion réseau.

8.2.2.6. Freinage d’arrêt Ce freinage consiste à arrêter un moteur sans pour autant contrôler la rampe de ralentissement. Pour les démarreurs et variateurs de vitesse pour moteurs asynchrones, ceci est réalisé de manière économique en injectant du courant continu dans le moteur avec un fonctionnement particulier de l’étage de puissance. Toute l’énergie mécanique est dissipée dans le rotor de la machine et, de ce fait, ce freinage ne peut être qu’intermittent. Sur un variateur pour moteur à courant continu, cette fonction sera assurée en connectant une résistance aux bornes de l’induit.

8.2.2.7. Protections intégrées Les variateurs modernes assurent en général la protection thermique des moteurs et leur propre protection. A partir de la mesure du courant et d’une information sur la vitesse (si la ventilation du moteur dépend de sa vitesse de rotation), un microprocesseur calcule l’élévation de température du moteur et fournit un signal d’alarme ou de déclenchement en cas d’échauffement excessif. Les variateurs, et notamment les convertisseurs de fréquence, sont d’autre part fréquemment équipés de protections contre : les courts-circuits entre phases et entre phase et terre, les surtensions et les chutes de tension, les déséquilibres de phases, la marche en monophasé. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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8.3. LES PRINCIPAUX TYPE DE FONCTIONNEMENT Les variateurs de vitesse peuvent, selon le convertisseur électronique, soit faire fonctionner 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 « les quatre situations possibles d’une machine dans son diagramme couple vitesse».illustre les quatre situations possibles dans le diagramme couple –vitesse d’une machine résumées dans le tableau associé.

Figure 159 Quatre situations possibles d’une machine dans son diagramme couple vitesse Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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A noter que lorsque la machine fonctionne en générateur elle doit bénéficier d’une force d’entraînement. Cet état est notamment exploité pour le freinage. L’énergie cinétique alors présente sur l’arbre de la machine est soit transférée au réseau d’alimentation, soit dissipée dans des résistances ou, pour les petites puissances, dans les pertes de la machine.

8.3.1. 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 (voir figure partie ‘a’), 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 (voir figure partie ‘b’). Dans certains cas ce montage peut être exploité en bidirectionnel (quadrants 1 et 3).

Figure 160 Schémas de principe convertisseurs [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. Un convertisseur indirect comportant un hacheur de freinage et une résistance correctement dimensionnée convient parfaitement pour un freinage momentané (ralentissement ou sur un engin de levage quand le moteur doit développer un couple de freinage en descente pour retenir la charge). Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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En cas de fonctionnement prolongé avec une charge entraînante, un convertisseur réversible est indispensable car la charge est alors négative comme, par exemple, avec un moteur utilisé en frein sur un banc d’essai.

8.3.2. 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.

8.3.3. Fonctionnement à couple constant Le fonctionnement est dit à couple constant quand les caractéristiques de la charge sont telles qu’en régime établi, le couple demandé est sensiblement le même quelle que soit la vitesse (voir figure).

Figure 161 Courbe de fonctionnement à couple constant Ce mode de fonctionnement se retrouve sur des machines de type convoyeur ou malaxeur. Pour ce type d’applications le variateur doit avoir la capacité de fournir un couple de démarrage important (1,5 fois ou plus le couple nominal) pour vaincre les frottements statiques et pour accélérer la machine (inertie).

8.3.4. Fonctionnement à couple variable Le fonctionnement est dit à couple variable quand les caractéristiques de la charge sont telles qu’en régime établi, le couple demandé varie avec la vitesse. C’est en particulier le cas des pompes volumétriques à vis d’Archimède dont le couple croit linéairement avec la vitesse (voir figure partie ‘a’) ou les machines centrifuges (pompes et ventilateurs) dont le couple varie comme le carré de la vitesse (voir figure partie ‘b’). Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Pour un variateur destiné à ce type d’application, un couple de démarrage plus faible (en général 1,2 fois le couple nominal du moteur) est suffisant. Il dispose le plus souvent de fonctions complémentaires comme la possibilité d’occulter des fréquences de résonance correspondant à des vibrations indésirables de la machine.

Figure 162 Courbes de fonctionnement à couple variable Le fonctionnement au-delà de la fréquence nominale de la machine est impossible en raison de la surcharge qui serait imposée au moteur et au variateur.

8.3.5. Fonctionnement à puissance constante C’est un cas particulier du couple variable. Le fonctionnement est dit à puissance constante quand le moteur fournit un couple inversement proportionnel à la vitesse angulaire (voir figure) Figure 163 Courbes de fonctionnement à puissance constante .C’est le cas, par exemple, pour un enrouleur dont la vitesse angulaire doit diminuer au fur et à mesure que croît le diamètre d’enroulement par accumulation du matériau. C’est également le cas des moteurs de broche des machines outils. La plage de fonctionnement à puissance constante est par nature limitée en basse vitesse par le courant fourni par le variateur et en grande vitesse par le couple disponible du moteur. En conséquence, le couple moteur disponible avec les moteurs asynchrones et la capacité de commutation des machines à courant continu doivent être bien vérifiés. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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8.4. LES PRINCIPAUX TYPES DE VARIATEURS Seuls les variateurs les plus courants et les réalisations technologiques usuelles sont cités dans ce chapitre. Il existe de nombreux schémas de variateurs de vitesse électronique : cascade hyposynchrone, cycloconvertisseurs, commutateurs de courant, hacheurs…, etc.

8.4.1. 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. Le pont peut être mixte (diodes / thyristors) ou complet (tout thyristor). Figure 164 Schéma d’un redresseur contrôlé pour moteur à courant continu. Cette dernière solution est la plus fréquente car elle permet un meilleur facteur de forme du courant délivré. Le moteur à courant continu est le plus souvent à excitation séparée, sauf dans les petites puissances où les moteurs à aimants permanents sont assez fréquents. 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, 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…).

8.4.2. 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. L’alimentation du variateur pourra être monophasée pour les faibles puissances (ordre de grandeur de quelques kW) et triphasée au-delà. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Figure 165 Schéma de principe d’un convertisseur de fréquence 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.

8.4.3. Gradateur de tension pour le démarrage des moteurs asynchrones

Figure 166 Démarreur de moteurs asynchrones et forme du courant d’alimentation. Il fournit, à partir d’un réseau alternatif, un courant alternatif de fréquence fixe égale à celle du réseau avec un contrôle de la valeur efficace de la tension par modification de l’angle de retard a à l’amorçage des semi-conducteurs de puissance, deux thyristors montés têtebêche dans chaque phase du moteur.

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8.5. STRUCTURE DEMARREURS ET VARIATEURS ELECTRONIQUES Les démarreurs et les variateurs de vitesse électroniques sont composés de deux modules généralement regroupés dans une même enveloppe (voir figure) : un module de contrôle qui gère le fonctionnement de l’appareil, un module de puissance qui alimente le moteur en énergie électrique.

Figure 167 Structure générale d’un variateur de vitesse électronique.

8.5.1. Le module de contrôle Sur les démarreurs et 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). Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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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. Les paramètres de fonctionnement et les informations d’alarme et de défauts peuvent être visualisés par des voyants, des diodes électroluminescentes, des afficheurs à segments ou à cristaux liquides, ou déportés vers des superviseurs par des bus de terrains. Des relais, souvent programmables, donnent des informations de : défaut (réseau, thermique, produit, séquence, surcharge…), surveillance (seuil de vitesse, pré alarme, fin de démarrage). Les tensions nécessaires pour l’ensemble des circuits de mesure et de contrôle sont fournies par une alimentation intégrée au variateur et séparée galvaniquement du réseau.

8.5.2. Le module de puissance Le module de puissance est principalement constitué de : composants de puissance (diodes, thyristors, IGBT…) interfaces de mesure des tensions et/ou des courants, fréquemment d’un ensemble de ventilation

8.6. VARIATEURS REGULATEURS POUR MOTEURS COURANT CONTINU 8.6.1. Principe général L’ancêtre des variateurs de vitesse pour moteur à courant continu est le groupe Ward Leonard. Ce groupe, constitué d’un moteur d’entraînement, généralement asynchrone, et d’une génératrice à courant continu à excitation variable, alimente un ou des moteurs à courant continu. L’excitation est réglée par un dispositif électromécanique (Amplidyne, Rototrol, Regulex), ou par un système statique (amplificateur magnétique ou régulateur électronique). Ce dispositif est aujourd’hui totalement abandonné au profit des variateurs de vitesse à semi-conducteurs qui réalisent de manière statique les mêmes opérations avec des performances supérieures. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Les variateurs de vitesse électronique sont alimentés sous une tension fixe à partir du réseau alternatif et fournissent au moteur une tension continue variable. Un pont de diodes ou un pont à thyristors, en général monophasé, permet l’alimentation du circuit d’excitation. Le circuit de puissance est un redresseur. La tension à délivrer devant être variable, ce redresseur doit être du type contrôlé, c’est-àdire comporter des composants de puissance dont la conduction peut être commandée (thyristors). La variation de la tension de sortie est obtenue en limitant plus ou moins le temps de conduction pendant chaque demi - période. Plus l’amorçage du thyristor est retardé par rapport au zéro de la demi - période, plus la valeur moyenne de la tension est réduite et, de ce fait, la vitesse du moteur plus faible (rappelons que l’extinction d’un thyristor intervient automatiquement quand le courant passe par zéro). Pour des variateurs de faible puissance, ou des variateurs alimentés par une batterie d’accumulateurs, le circuit de puissance, parfois constitué de transistors de puissance (hacheur), fait varier la tension continue de sortie en ajustant le temps de conduction. Ce mode de fonctionnement est dénommé MLI (Modulation de Largeur d’Impulsion).

8.6.1.1. Régulation La régulation consiste à maintenir avec précision la vitesse à la valeur imposée en dépit des perturbations (variation du couple résistant, de la tension d’alimentation, de la température). Toutefois, lors des accélérations ou en cas de surcharge, I’intensité du courant ne doit pas atteindre une valeur dangereuse pour le moteur ou le dispositif d’alimentation. Une boucle de régulation interne au variateur maintient le courant à une valeur acceptable. Cette limite est accessible pour permettre l’ajustement en fonction des caractéristiques du moteur. La vitesse de consigne est fixée par un signal, analogique ou numérique transmis par l’intermédiaire d’un bus de terrain ou par tout autre dispositif qui délivre une tension image de cette vitesse désirée. La référence peut être fixe ou varier au cours du cycle. Des rampes d’accélération et de décélération réglables appliquent de façon progressive la tension de référence correspondant à la vitesse désirée, I’évolution de cette rampe peut suivre toutes les formes désirées. Le réglage des rampes définit la durée de l’accélération et du ralentissement. En boucle fermée, la vitesse réelle est mesurée en permanence par une dynamo tachymétrique ou un générateur d’impulsions et comparée à la référence. Si un écart est constaté, l’électronique de contrôle réalise une correction de la vitesse. La gamme de vitesse s’étend de quelques tours par minute jusqu’à la vitesse maximale. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Dans cette plage de variation, on obtient aisément des précisons meilleures que 1 % en régulation analogique et mieux que 1 / 1000 en régulation numérique, en cumulant toutes les variations possibles (vide / charge, variation de tension, de température etc.) Cette régulation peut également être effectuée à partir de la mesure de la tension du moteur en tenant compte du courant qui le traverse. Les performances sont dans ce cas sensiblement inférieures, à la fois en gamme de vitesse et en précision (quelques % entre marche à vide et marche en charge)

8.6.1.2. Inversion du sens de marche et freinage par récupération Pour inverser le sens de marche, il faut inverser la tension d’induit. Ce peut être réalisé à l’aide de contacteurs (cette solution est maintenant obsolète) ou en statique par inversion de la polarité de sortie du variateur de vitesse ou de la polarité du courant d’excitation. Cette dernière solution est peu usitée en raison de la constante de temps de l’inducteur. Figure 168 Schéma d’un variateur avec inversion de marche et freinage par récupération d’énergie pour un moteur à courant continu. Lorsqu’un freinage contrôlé est désiré ou que la nature de la charge l’impose (couple entraînant), il faut renvoyer l’énergie au réseau. Pendant le freinage, le variateur fonctionne en onduleur, en d’autres termes la puissance qui transite est négative. Les variateurs capables d’effectuer ces deux fonctionnements (inversion et freinage par récupération d’énergie) sont dotés de deux ponts connectés en antiparallèle.. Chacun de ces ponts permet d’inverser la tension et le courant ainsi que le signe de l’énergie qui circule entre le réseau et la charge.

8.6.2. Modes de fonctionnement possibles (moteurs CC) 8.6.2.1. Fonctionnement dit à « couple constant » À excitation constante, la vitesse du moteur est fonction de la tension appliquée à l’induit du moteur. La variation de vitesse est possible depuis l’arrêt jusqu’à la tension nominale du moteur qui est choisie en fonction de la tension alternative d’alimentation. Le couple moteur est proportionnel au courant d’induit et le couple nominal de la machine peut être obtenu de manière continue à toutes les vitesses. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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8.6.2.2. Fonctionnement dit à « puissance constante » Lorsque la machine est alimentée sous sa tension nominale, il est encore possible d’augmenter sa vitesse en réduisant le courant d’excitation. Le variateur de vitesse doit dans ce cas comporter un pont redresseur contrôlé alimentant le circuit d’excitation. La tension d’induit reste alors fixe et égale à la tension nominale et le courant d’excitation est ajusté pour obtenir la vitesse souhaitée. La puissance a pour expression P = E . I avec E sa tension d’alimentation, I le courant d’induit. La puissance, pour un courant d’induit donné, est donc constante sur toute la gamme de vitesse, mais la vitesse maximale est limitée par deux paramètres : la limite mécanique liée à l’induit et en particulier la force centrifuge maximale pouvant être supportée par le collecteur, les possibilités de commutation de la machine, en général plus restrictives. Le fabricant du moteur doit donc être sollicité pour bien choisir un moteur, en particulier en fonction de la gamme de vitesse à puissance constante.

8.7. CONVERTISSEUR DE FREQUENCE POUR MOTEUR ASYNCHRONE 8.7.1. Principe général Le convertisseur de fréquence, alimenté à tension et fréquence fixes par le réseau, assure au moteur, en fonction des exigences de vitesse, son alimentation en courant alternatif à tension et fréquence variables. Pour alimenter convenablement un moteur asynchrone à couple constant quelle que soit la vitesse, il est nécessaire de maintenir le flux constant. Ceci nécessite que la tension et la fréquence évoluent simultanément et dans les mêmes proportions.

8.7.1.1. Constitution Le circuit de puissance est constitué par un redresseur et un onduleur qui, à partir de la tension redressée, produit une tension d’amplitude et fréquence variables (voir figure 165 «schéma de principe d’un convertisseur de fréquence»). Pour respecter la directive CE – Communauté Européenne - et les normes associées, un filtre « réseau » est placé en amont du pont redresseur.

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Le redresseur est en général équipé d’un pont redresseur à diodes et d’un circuit de filtrage constitué d’un ou plusieurs condensateurs en fonction de la puissance. Un circuit de limitation contrôle l’intensité à la mise sous tension du variateur. Certains convertisseurs utilisent un pont à thyristors pour limiter le courant d’appel de ces condensateurs de filtrage qui sont chargés à une valeur sensiblement égale à la valeur crête de la sinusoïde réseau (environ 560 V en 400 V triphasé). Nota : Malgré la présence de circuits de décharge, ces condensateurs sont susceptibles de conserver une tension dangereuse en l’absence de tension réseau. Une intervention à l’intérieur d’un tel produit ne doit donc être effectuée que par des personnes formées et connaissant bien les précautions indispensables à mettre en place (circuit de décharge additionnel ou connaissance du temps d’attente). Le pont onduleur, connecté à ces condensateurs, utilise six semi-conducteurs de puissance (en général des IGBT) et des diodes de roue libre associées. Ce type de variateur est destiné à l’alimentation des moteurs asynchrones à cage. Ainsi l’Altivar, de la Marque Schneider / Télémécanique (tous comme les autres marques à technologie équivalente), permet de créer un mini - réseau électrique à tension et fréquence variables capable d’alimenter un moteur unique ou plusieurs moteurs en parallèle. Il comporte : un redresseur avec condensateurs de filtrage ; un onduleur à 6 IGBT et 6 diodes ; un hacheur qui est connecté à une résistance de freinage (en général extérieure au produit) ; les circuits de commande des transistors IGBT ; une unité de contrôle organisée autour d’un microprocesseur, lequel assure la commande de l’onduleur ; des capteurs internes pour mesurer le courant moteur, la tension continue présente aux bornes des condensateurs et dans certains cas les tensions présentes aux bornes du pont redresseur et du moteur ainsi que toutes les grandeurs nécessaires au contrôle et à la protection de l’ensemble moto - variateur ; une alimentation pour les circuits électronique bas niveau. Cette alimentation est réalisée par un circuit à découpage connecté aux bornes des condensateurs de filtrage pour bénéficier de cette réserve d’énergie. Cette disposition permet à l’Altivar de s’affranchir des fluctuations réseau et des disparitions de tension de courte durée, ce qui lui confère de remarquables performances en présence de réseaux fortement perturbés.

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8.7.1.2. La variation de vitesse

Figure 169 la modulation de largeur d’impulsions. La génération de la tension de sortie est obtenue par découpage de la tension redressée au moyen d’impulsions dont la durée, donc la largeur, est modulée de telle manière que le courant alternatif résultant soit aussi sinusoïdal que possible. Cette technique connue sous le nom de MLI (Modulation de Largeur d’Impulsions ou PWM en anglais) conditionne la rotation régulière à basse vitesse et limite les échauffements. La fréquence de modulation retenue est un compromis : elle doit être suffisamment élevée pour réduire l’ondulation de courant et le bruit acoustique dans le moteur sans augmenter notablement les pertes dans le pont onduleur et dans les semi-conducteurs. Deux rampes règlent l’accélération et le ralentissement.

8.7.1.3. Les protections intégrées Le variateur s’auto protège et protège donc le moteur contre les échauffements excessifs, en se verrouillant jusqu’au retour à une température acceptable. Il en est de même pour toute perturbation ou anomalie pouvant altérer le fonctionnement de l’ensemble, comme les surtensions ou sous tension, la disparition d’une phase d’entrée ou de sortie. Dans certains calibres le redresseur, l’onduleur, le hacheur, la commande et les protections contre les courts-circuits sont intégrés dans un unique module IPM - Intelligent Power Module -.

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8.7.2. Fonctionnement en U/f

Figure 170 caractéristiques de couple d’un variateur (Altivar 66 – Télémécanique). Légende de la figure 1 – couple utile permanent moteur auto - ventilé (a) et moteur moto - ventilé (b), 2 – surcouple transitoire (< 1,7 Cn pendant 60 s), 3 – couple en survitesse à puissance constante. Dans ce type de fonctionnement, la référence vitesse impose une fréquence à l’onduleur et par voie de conséquence au moteur, ce qui détermine la vitesse de rotation. La tension d’alimentation est en relation directe avec la fréquence (voir figure). Ce fonctionnement est souvent nommé fonctionnement à U/f constant ou fonctionnement scalaire. Si aucune compensation n’est effectuée, la vitesse réelle varie avec la charge ce qui limite la plage de fonctionnement. Une compensation sommaire peut être utilisée pour tenir compte de l’impédance interne du moteur et limiter la chute de vitesse en charge.

8.7.3. Commande vectorielle Les performances sont grandement augmentées par une électronique de commande faisant appel au contrôle vectoriel de flux - CVF - (voir figure 171: «schéma de principe d’un variateur à contrôle vectoriel de flux»). Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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La plupart des variateurs modernes intègrent cette fonction en standard. La connaissance ou l’estimation des paramètres de la machine permet de se passer de capteur de vitesse pour la majorité des applications. Dans ce cas un moteur standard peut être utilisé avec la limitation usuelle de fonctionnement prolongé à basse vitesse. Le variateur élabore les informations à partir des grandeurs mesurées aux bornes de la machine (tension et courant). Ce mode de contrôle apporte des performances acceptables sans augmentation de coût. Pour obtenir ces performances, certains paramètres de la machine doivent être connus. A la mise en service, le metteur au point de la machine doit notamment introduire les caractéristiques du moteur (celles de la plaque signalétique – identification plate) dans les paramètres de réglage du variateur telles que : UNS : tension nominale moteur, FRS : fréquence nominale stator, NCR : courant nominal stator, NSP : vitesse nominale, COS : cosinus moteur. A partir de ces valeurs, le variateur calcule les caractéristiques du rotor : Lm, Tr. (Lm : inductance magnétisante, Tr : moment du couple).

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Figure 171 : Schéma de principe d’un variateur à contrôle vectoriel de flux Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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8.7.3.1. Variateur avec contrôle vectoriel de flux sans capteur A la mise sous tension, un variateur avec contrôle vectoriel de flux sans capteur (type ATV58F – Télémécanique / Schneider) pratique un autoréglage qui lui permet de déterminer les paramètres statoriques Rs, Lf. Cette mesure peut se faire moteur accouplé à la mécanique. La durée varie en fonction de la puissance moteur (1 à 10 s). Ces valeurs sont mémorisées et permettent au produit d’élaborer les lois de commande. Figure 172 : Caractéristiques moteur à sa mise sous tension par variateur avec contrôle vectoriel de flux sans capteur (type ATV58F – Télémécanique L’oscillogramme de la figure représente la mise en vitesse d’un moteur, chargé à son couple nominal alimenté par un variateur sans capteur. On remarquera que le couple nominal est obtenu rapidement (moins de 0,2 s) et la linéarité de la mise en vitesse. La vitesse nominale est obtenue en 0,8 seconde.

8.7.3.2. Variateur avec contrôle vectoriel de flux en boucle fermée avec capteur Le contrôle vectoriel de flux en boucle fermée avec capteur est une autre possibilité. Cette solution fait appel à la transformation de Park et permet de contrôler indépendamment le courant (Id) assurant le flux dans la machine et le courant (Iq) assurant le couple (égal au produit Id . Iq). La commande du moteur est analogue à celle d’un moteur à courant continu. Cette solution (voir figure 173 «schéma de principe d’un variateur avec contrôle vectoriel de flux avec capteur »).apporte la réponse aux applications exigeantes : forte dynamique lors des transitoires, précision de vitesse, couple nominal à l’arrêt. Le couple maximal transitoire est égal à 2 ou 3 fois le couple nominal suivant le type de moteur. De plus, la vitesse maximale atteint souvent le double de la vitesse nominale, ou davantage si le moteur le permet mécaniquement. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Figure 173 : Schéma de principe d’un variateur avec contrôle vectoriel de flux avec capteur Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Ce type de contrôle autorise également des bandes passantes très élevées et des performances comparables et même supérieures aux meilleurs variateurs à courant continu. En contrepartie, le moteur utilisé n’est pas de construction standard en raison de la présence d’un capteur et le cas échéant d’une ventilation forcée. Figure 174 : Oscillogramme mise en vitesse, chargé à son couple nominal alimenté par un variateur avec contrôle vectoriel de flux (type ATV58F - Télémécanique). L’oscillogramme représenté dans la figure représente la mise en vitesse d’un moteur, chargé à son couple nominal alimenté par un variateur avec contrôle vectoriel de flux avec capteur. L’échelle des temps est de 0,1 s par division. Par rapport au même produit sans capteur l’augmentation des performances est sensible. Le couple nominal s’établit en 80 ms et le temps de montée en vitesse, dans les mêmes conditions de charge est de 0,5 seconde. En conclusion, le tableau (de ce paragraphe) compare les performances respectives d’un variateur dans les trois configurations possibles.

Contrôle scalaire

Avec contrôle vectoriel de flux sans capteur

avec capteur

Gamme de vitesse

1 à 10

1 à 100

1 à 1000

Bande passante

5 à 10 Hz

10 à 15 Hz

30 à 50 Hz

Précision de vitesse

±1%

±1%

± 0,01 %

Table 2: performances respectives d’un variateur dans les trois configurations possibles (type ATV58F - Télémécanique).

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8.7.3.3. Inversion du sens de marche et freinage Pour inverser le sens de marche, un ordre externe (soit sur une entrée dédiée à cet effet, soit pour un signal circulant sur un bus de communication) entraîne l’inversion dans l’ordre de fonctionnement des composants de l’onduleur, donc du sens de rotation du moteur. Plusieurs fonctionnements sont possibles. 1er cas : inversion immédiate du sens de commande des semi-conducteurs Si le moteur est toujours en rotation au moment de l’inversion de sens de marche, cela se traduit par un glissement important et le courant dans le variateur est alors égal au maximum possible (limitation interne). Le couple de freinage est faible en raison du fort glissement et la régulation interne ramène la consigne de vitesse à une faible valeur. Quand le moteur atteint la vitesse nulle, la vitesse s’inverse en suivant la rampe. L’excèdent d’énergie non absorbée par le couple résistant et les frottements est dissipé dans le rotor. 2e cas : inversion du sens de commande des semi-conducteurs précédée d’une décélération avec ou sans rampe Si le couple résistant de la machine est tel que la décélération naturelle est plus rapide que la rampe fixée par le variateur, celui-ci continue à fournir de l’énergie au moteur. La vitesse diminue progressivement et s’inverse. Par contre, si le couple résistant de la machine est tel que la décélération naturelle est plus faible que la rampe fixée par le variateur, le moteur se comporte comme une génératrice hyper synchrone et restitue de l’énergie au variateur ; mais la présence du pont de diodes interdisant le renvoi de l’énergie vers le réseau, les condensateurs de filtrage se chargent, la tension augmente et le variateur se verrouille. Pour éviter cela, il faut disposer d’une résistance qui est connectée aux bornes des condensateurs par un hacheur de façon à limiter la tension à une valeur convenable. Le couple de freinage n’est plus limité que par les capacités du variateur de vitesse : la vitesse diminue progressivement et s’inverse. Pour cette utilisation, le fabricant du variateur fournit des résistances de freinage dimensionnées en fonction de la puissance du moteur et des énergies à dissiper. Le hacheur étant dans la majorité des cas inclus d’origine dans le variateur, seule la présence d’une résistance de freinage distingue un variateur capable d’assurer un freinage contrôlé. Ce mode de freinage est donc particulièrement économique. Il va de soi que ce mode de fonctionnement permet de ralentir un moteur jusqu’à l’arrêt sans nécessairement inverser le sens de rotation. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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8.7.3.4. Freinage de ralentissement par injection de courant continu Un freinage économique peut être facilement réalisé en faisant fonctionner l’étage de sortie du variateur en hacheur qui injecte ainsi un courant continu dans les enroulements. Le couple de freinage n’est pas contrôlé. Il est assez peu efficace, surtout à grande vitesse, et de ce fait la rampe de décélération n’est pas contrôlée. Néanmoins c’est une solution pratique pour diminuer le temps d’arrêt naturel de la machine. L’énergie étant dissipée dans le rotor, ce mode de fonctionnement est, par nature, occasionnel.

8.7.3.5. Les modes de fonctionnement possibles (moteurs asynchrones) Fonctionnement dit à « couple constant » Tant que la tension délivrée par le variateur peut évoluer et dans la mesure où le flux dans la machine est constant (rapport U/f constant ou mieux encore avec contrôle vectoriel de flux), le couple moteur sera grossièrement proportionnel au courant et le couple nominal de la machine pourra être obtenu sur toute la plage de vitesse (voir figure). Figure 175 : couple d’un moteur asynchrone à charge constante alimenté par un convertisseur de fréquence Légende : [a] – zone de fonctionnement à couple constant, [b] - zone de fonctionnement à puissance constante. Cependant le fonctionnement prolongé au couple nominal à basse vitesse n’est possible que si une ventilation forcée du moteur est prévue, ce qui nécessite un moteur spécial. Les variateurs modernes disposent de circuits de protection qui établissent une image thermique du moteur en fonction du courant, des cycles de fonctionnement et de la vitesse de rotation : la protection du moteur est donc assurée. Fonctionnement dit à « puissance constante » Lorsque la machine est alimentée sous sa tension nominale, il est encore possible d’augmenter sa vitesse en l’alimentant à une fréquence supérieure à celle du réseau de distribution. Toutefois, la tension de sortie du convertisseur ne pouvant pas dépasser celle Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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du réseau, le couple disponible décroît en proportion inverse de l’accroissement de la vitesse (voir même figure qu’à couple constant). Au-dessus de sa vitesse nominale, le moteur fonctionne non plus à couple constant mais à puissance constante (P = Cw), tant que la caractéristique naturelle du moteur l’autorise. La vitesse maximale est limitée par deux paramètres : la limite mécanique liée au rotor, la réserve de couple disponible. Pour une machine asynchrone alimentée à tension constante, le couple maximum variant comme le carré de la vitesse, le fonctionnement à « puissance constante » n’est possible que dans une plage limitée de vitesse déterminée par la caractéristique de couple propre à la machine.

8.7.4. Gradateur de tension pour moteur asynchrone Ce dispositif de variation de tension, exploitable pour l’éclairage et le chauffage, n’est utilisable qu’avec des moteurs asynchrones à cage résistante ou à bagues..

Figure 176: Couple disponible d’un moteur asynchrone alimenté à tension variable et dont le récepteur présente un couple résistant parabolique (ventilateur) [a] - moteur à cage d’écureuil, [b] - moteur à cage résistante. Ces moteurs asynchrones sont dans la majorité des cas triphasés, occasionnellement monophasés pour les petites puissances (jusqu’à 3 kW environ). Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Souvent utilisé comme démarreur ralentisseur progressif, dans la mesure où un couple de démarrage élevé n’est pas nécessaire, un gradateur permet de limiter l’appel de courant, la chute de tension qui en découle et les chocs mécaniques dus à l’apparition brutale du couple. Parmi les applications les plus courantes citons le démarrage des pompes centrifuges et des ventilateurs, des convoyeurs à bande, des escaliers roulants, des portiques de lavage d’automobiles, des machines équipées de courroies… et en variation de vitesse sur les moteurs de très faible puissance ou sur les moteurs universels, comme dans l’outillage électroportatif. Mais pour certaines applications, telle la variation de vitesse des petits ventilateurs, les gradateurs ont quasiment disparu au profit des convertisseurs de fréquence plus économiques en phase d’exploitation. Dans le cas des pompes, la fonction ralentisseur permet également d’éliminer les coups de bélier. Mais le choix de ce dispositif de variation de vitesse nécessite quelques précautions. En effet quand un moteur glisse, ses pertes sont proportionnelles au couple résistant et inversement proportionnelles à la vitesse ; or le principe de fonctionnement d’un gradateur consiste à réduire le couple moteur en réduisant la tension afin d’équilibrer le couple résistant à la vitesse désirée. Le moteur à cage résistante (partie (b) de la figure) doit donc être capable, à petite vitesse, de dissiper ses pertes (les petits moteurs jusqu’à 3 kW répondent généralement à ces conditions). Au-delà, il faut en général utiliser un moteur moto - ventilé. Pour les moteurs à bague les résistances associées doivent être dimensionnées conformément aux cycles de fonctionnement. La décision est du ressort du spécialiste qui sélectionnera le moteur en fonction des cycles de fonctionnement. Trois types de démarreurs se trouvent sur le marché : soit à une phase contrôlée dans les petites puissances, soit à deux phases contrôlées (la troisième étant une connexion directe), soit avec toutes les phases contrôlées. Les deux premiers systèmes ne sont à utiliser que pour des cycles de fonctionnement peu sévères en raison du taux d’harmoniques supérieur.

8.7.4.1. Principe général Le circuit de puissance comporte, par phase, 2 thyristors montés tête-bêche. La variation de tension est obtenue en faisant varier le temps de conduction de ces thyristors au cours de chaque demi - période. Plus l’instant de l’amorçage est retardé, plus la valeur de la tension résultante est faible.

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L’amorçage des thyristors est géré par un microprocesseur qui assure également les fonctions suivantes : contrôle des rampes de montée en tension et de diminution de tension réglables ; la rampe de décélération ne pourra être suivie que si le temps de décélération naturel du système entraîné est plus long ; limitation de courant réglable ; sur couple au démarrage ; commande de freinage par injection de courant continu ; protection du variateur contre les surcharges ; protection du moteur contre les échauffements dus aux surcharges ou aux démarrages trop fréquents ; détection de déséquilibre ou d’absence de phases, de défauts thyristors. Un tableau de bord qui affiche les différents paramètres de fonctionnement apporte une aide à la mise en service, à l’exploitation et à la maintenance. Certains gradateurs, tels l’Altistart (Télémécanique) peuvent commander le démarrage et le ralentissement : d’un seul moteur, de plusieurs moteurs simultanément, dans la limite de son calibre, de plusieurs moteurs successivement par commutation. En régime établi, chaque moteur est alimenté directement par le réseau à travers un contacteur. Seul l’Altistart dispose d’un dispositif breveté permettant une estimation du couple moteur ce qui permet d’effectuer des accélérations et décélérations linéaires et, si nécessaire, de limiter le couple moteur.

8.7.4.2. Inversion du sens de marche et freinage L’inversion du sens de marche s’effectue par inversion des phases d’entrée du démarreur. Le freinage se fait alors à contre courant et toute l’énergie est dissipée dans le rotor de la machine. Le fonctionnement est donc par nature intermittent.

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8.7.4.3. Freinage de ralentissement par injection de courant continu Un freinage économique peut être facilement réalisé en faisant fonctionner l’étage de sortie du démarreur en redresseur qui injecte ainsi un courant continu dans les enroulements. Le couple de freinage n’est pas contrôlé et le freinage est assez peu efficace, surtout à grande vitesse. De ce fait la rampe de décélération n’est pas contrôlée. Néanmoins c’est une solution pratique pour diminuer le temps d’arrêt naturel de la machine. L’énergie étant dissipée dans le rotor, ce mode de fonctionnement est également occasionnel.

8.7.5. Moto - variateurs synchrones 8.7.5.1. Principe général Les moto - variateurs synchrones (voir figure / photo d’un moto - variateur) sont une association d’un convertisseur de fréquence et d’un moteur synchrone à aimants permanents équipé d’un capteur. Ces moto variateurs sont destinés à des marchés spécifiques, comme les robots ou les machines-outils, pour lesquels sont exigés un faible volume des moteurs, des accélérations rapides et une bande passante étendue.

8.7.5.2. Le moteur Le rotor du moteur est équipé d’aimants permanents en terre rare pour obtenir un champ élevé dans un volume réduit. Le stator comporte les enroulements triphasés. Ces moteurs peuvent accepter des courants de surcharge importants pour réaliser des accélérations très rapides. Un capteur équipe ces moteurs pour indiquer au variateur la position angulaire des pôles du moteur afin d’assurer la commutation des enroulements.

8.7.5.3. Le variateur Dans sa constitution, le variateur est similaire à un convertisseur de fréquence : il fonctionne de façon analogue. Figure 177 : Moto-variateur synchrone (Variateur Lexium + moteur, Schneider Electric). Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Il est aussi constitué d’un redresseur et d’un onduleur à transistors à modulation de largeur d’impulsions (MLI) qui restitue un courant de sortie de forme sinusoïdale. Il est fréquent de trouver plusieurs variateurs de ce type alimentés par une même source de courant continu. Ainsi, sur une machine-outil, chaque variateur commande un des moteurs associés aux axes de la machine. Une source commune à courant continu alimente en parallèle cet ensemble de variateurs. Ce type d’installation permet de mettre à disposition de l’ensemble, l’énergie qui proviendrait du freinage de l’un des axes. Comme dans les convertisseurs de fréquence, une résistance de freinage associée à un hacheur permet d’évacuer l’énergie de freinage en excès. Les fonctions d’asservissement de l’électronique, les faibles constantes de temps mécaniques et électriques, autorisent des accélérations et plus généralement des bandes passantes très élevées, avec en même temps une très grande dynamique de vitesse.

8.7.6. Moto - variateurs pas-à-pas 8.7.6.1. Principe général Les moto - variateurs pas-à-pas sont des associations d’une électronique de puissance, similaire dans sa conception à celle d’un convertisseur de fréquence, et d’un moteur pas à pas (voir figure).

Figure 178 : Schéma de principe d’un variateur pour moteur bipolaire pas à pas. Ils fonctionnent en boucle ouverte (sans capteur) et sont destinés à des applications de positionnement.

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8.7.6.2. Le moteur Le moteur peut être à réluctance variable, à aimants permanents ou présenter une combinaison des deux

8.7.6.3. Le variateur Dans sa constitution, le variateur est analogue à un convertisseur de fréquence (redresseur, filtrage et pont constitué de semi-conducteurs de puissance). Figure 179 : Allure du courant résultant d’une commande à MLI. Cependant son fonctionnement est fondamentalement différent dans la mesure où il a pour objectif d’injecter un courant constant dans les enroulements. Parfois il fait appel à la modulation de largeur d’impulsions (MLI) pour obtenir de meilleures performances, en particulier le temps de montée du courant (figure « allure du courant résultant »), ce qui permet d’étendre la plage de fonctionnement.

Figure 180 : Diagramme, courbes d’intensité et principe d’échelons pour une commande en micropas d’un moto - variateur pas-à-pas. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Le fonctionnement (figure « diagramme de fonctionnement ») en micropas permet de multiplier artificiellement le nombre de positions possibles du rotor en générant des échelons successifs dans les bobines durant chaque séquence. Les courants dans les deux bobines ressemblent alors à deux courants alternatifs décalés de 90°. Le champ résultant est la composition vectorielle des champs créés par les 2 bobines. Le rotor prend ainsi toutes les positions intermédiaires possibles. Le schéma représente les courant d’alimentation des bobines B1 et B2 ; les positions du rotor sont représentées par le vecteur.

8.8. FONCTIONS COMPLEMENTAIRES DES VARIATEURS DE VITESSE 8.8.1. Les possibilités de dialogue Pour pouvoir assurer un fonctionnement correct du moteur, les variateurs intègrent un certain nombre de capteurs pour surveiller la tension, les courants « moteur » et son état thermique. Ces informations, indispensables pour le variateur, peuvent être utiles pour l’exploitation. Les variateurs et démarreurs récents intègrent des fonctions de dialogue en tirant profit des bus de terrain. Il est ainsi possible de générer des informations qui sont utilisées par un automate et un superviseur pour la conduite de la machine. De la même façon les informations de contrôle proviennent de l’automate par le même canal. Parmi les informations qui transitent citons : les consignes de vitesse, les ordres de marche ou d’arrêt, les réglages initiaux du variateur ou les modifications de ces réglages en opération, l’état du variateur (marche, arrêt, surcharge, défaut), les alarmes, l’état du moteur (vitesse, couple, courant, température). Ces possibilités de dialogue sont également utilisées en liaison avec un PC pour pouvoir simplifier les réglages à la mise en route (téléchargement) ou archiver les réglages initiaux.

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8.8.2. Les fonctions intégrées (exemple ATV) Pour couvrir efficacement bon nombre d’applications, les variateurs disposent d’un nombre important d’ajustages et de réglages comme : les temps des rampes d’accélération et décélération, la forme des rampes (linéaires, en S ou en U), les commutations de rampes permettant d’obtenir deux rampes d’accélération ou de décélération pour permettre par exemple un accostage en douceur, la réduction du couple maximum commandée par une entrée logique ou par une consigne, Figure 181 : Variateur comportant de nombreuses fonctions intégrées (ATV58H – Télémécanique). la marche pas à pas, la gestion de la commande d’un frein pour les applications de levage, le choix de vitesses présélectionnées, la présence d’entrés sommatrices permettant d’additionner des consignes de vitesse, la commutation des références présentes à l’entrée du variateur, la présence d’un régulateur PI pour les asservissements simples (vitesse ou débit par exemple), l’arrêt automatique suite à une coupure réseau permettant le freinage du moteur, le rattrapage automatique avec recherche de la vitesse du moteur pour une reprise à la volée, la protection thermique du moteur à partir d’une image générée dans le variateur, la possibilité de connexion de sondes PTC intégrées au moteur, l’occultation de fréquence de résonance de la machine (la vitesse critique est occultée de sorte que le fonctionnement à cette fréquence est rendu impossible), le verrouillage temporisé à basse vitesse dans les applications de pompage où le fluide participe à la lubrification de la pompe et évite le grippage. Ces fonctions, sur les variateurs sophistiqués, se trouvent le plus souvent en standard. Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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8.8.3. Les cartes optionnelles (exemple ATV) Pour des applications plus complexes, les fabricants proposent des cartes optionnelles qui permettent soit des fonctions particulières, par exemple le contrôle vectoriel de flux avec capteur, soit des cartes dédiées à un métier particulier. On trouve par exemple : des cartes « commutation de pompes » pour réaliser économiquement une station de pompage comportant un seul variateur alimentant successivement plusieurs moteurs, des cartes « multi - moteurs », des cartes « multi - paramètres » permettant de commuter automatiquement des paramètres prédéfinis dans le variateur, des cartes spécifiques développées à la demande d’un utilisateur particulier. Certains fabricants proposent également des cartes automates intégrées dans le variateur permettant des applications simples. L’opérateur dispose alors d’instructions de programmation et d’entrées et sorties pour la réalisation de petits automatismes, là où la présence d’un automate ne se justifie pas.

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9. GLOSSARY

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10. FIGURES Figure 1: L’ensemble Redresseur / Chargeur / Onduleur / ASI / Convertisseur...................8 Figure 2: Les composants de puissance..............................................................................9 Figure 3: Symbole de la diode ...........................................................................................10 Figure 4: Caractéristique de la diode .................................................................................10 Figure 5: Fonctionnement de la diode ...............................................................................11 Figure 5: Mesure et vérification d’une diode ......................................................................12 Figure 6: Test d’une diode .................................................................................................12 Figure 8: Symbole du thyristor ...........................................................................................13 Figure 9: Caractéristique du thyristor .................................................................................13 Figure 10: Fonctionnement du thyristor .............................................................................14 Figure 11: Schéma de protection du thyristor contre les di/dt ............................................15 Figure 12: Schéma de la protection du thyristor contre les dv/dt .......................................16 Figure 13: Mesure et vérification d’un thyristor ..................................................................17 Figure 14: symbole du condensateur.................................................................................21 Figure 15: Condensateurs électrochimiques polarisés ......................................................21 Figure 16: Condensateurs électrochimiques non polarisés ...............................................23 Figure 17: Symbole(s) de l’inductance...............................................................................25 Figure 18: Schéma redressement mono simple alternance...............................................28 Figure 19: Oscillogramme tension entrée et sortie redressement simple alternance.........28 Figure 20: Oscillogramme redressement simple alternance sur charge inductive .............29 Figure 21: Schéma pont redresseur avec diode de roue libre ...........................................29 Figure 22: Schéma redressement mono double alternance ..............................................30 Figure 23: Oscillogramme tension entrée et sortie redressement mono double alternance ...................................................................................................................................30 Figure 24: Schéma redressement tri simple alternance.....................................................31 Figure 25: Chronogramme tension sortie redressement tri simple alternance et diagramme de conduction des diodes ...........................................................................................32 Figure 26: Chronogramme de l’empiètement lors du transfert de courant d’un semiconducteur à l’autre ....................................................................................................32 Figure 27: Chronogramme de l’empiétement.....................................................................33 Figure 28: Schéma redressement tri double alternance ....................................................34 Figure 29: Chronogramme tension sortie redressement tri double alternance et diagramme de conduction des diodes ...........................................................................................34 Figure 30: Redressement mono double alternance ...........................................................36 Figure 31: Redressement tri double alternance .................................................................36 Figure 32: Redressement dodécaphasé ............................................................................37 Figure 33: Synoptique redressement commandé ..............................................................38 Figure 34: Redressement commandé simple alternance...................................................38 Figure 35: Chronogramme tension sortie redressement commandé simple alternance ....39 Figure 36: Redressement commandé double alternance pont mixte.................................40 Figure 37: Tension sortie redressement commandé double alternance pont mixte suivant l’angle de retard ..........................................................................................................40 Figure 38: Pont commandé tout thyristor avec image de la tension de sortie fonction de l’angle de retard ..........................................................................................................41 Figure 39: Chronogramme pont tout thyristor – fonctionnement redresseur idéal .............42 Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Figure 40: Pont commandé tout thyristor – schéma ..........................................................43 Figure 41: Valeur tension moyenne de sortie pour pont commandé double alternance ....43 Figure 42: Double pont redresseur avec logique d’inversion .............................................43 Figure 43: Double pont redresseur avec circulation de courant.........................................44 Figure 44: Chronogramme d’un redressement triphasé simple alternance en fonction de l’angle de retard (amorçage de la gâchette) ...............................................................44 Figure 45: Chronogramme d’un redressement triphasé double alternance en fonction de l’angle de retard ..........................................................................................................45 Figure 46: Lissage / filtrage d’une tension par condensateur.............................................46 Figure 47: Importance de la valeur de la capacité .............................................................46 Figure 48: Redressement simple et double alternance sans ou avec condensateur .........47 Figure 49: Avantages / inconvénients du lissage par condensateur ..................................47 Figure 50: Lissage par inductance.....................................................................................48 Figure 51: Lissage par « grande » inductance...................................................................49 Figure 52: Lissage par condensateur + inductance ...........................................................49 Figure 53 : Chargeur de batterie........................................................................................51 Figure 54 : Système mixte .................................................................................................52 Figure 55 : Tension fournie par la batterie et par le chargeur ............................................53 Figure 56 : Mode floating ...................................................................................................54 Figure 57 : Mode panne d’alimentation CA........................................................................54 Figure 58 : Mode charge et alimentation de distribution ....................................................55 Figure 59 : Groupe de batteries .........................................................................................55 Figure 60 : Charge des batteries au plomb en 2 étapes ....................................................58 Figure 61 : Charge des batteries au plomb en 3 étapes ....................................................59 Figure 62 : Charge normale des batteries nickel - cadmium..............................................60 Figure 63 : Courbe de charge combinée Ni-Cd .................................................................62 Figure 64 : Courbe de charge des batteries nickel métal hydrure......................................63 Figure 65 : Exemple de système de charge rapide pour Ni-MH ........................................63 Figure 66 : Courbe de charge des batteries au lithium ......................................................65 Figure 67 : Profil typique courant/tension pour les batteries rechargeables alcalines........66 Figure 68 : Exemples de piles alcalines rechargeables .....................................................67 Figure 69 : Dérivée de la tension .......................................................................................67 Figure 70 :.Schéma de principe de l’onduleur....................................................................69 Figure 71 :.Règle de conduction, principe interrupteur ......................................................69 Figure 72 : Principe de l’onduleur autonome. ....................................................................70 Figure 73: Interrupteur en position (1) ...............................................................................70 Figure 74: Tension ud(t) à la sortie de l’onduleur...............................................................70 Figure 75: Montage demi pont à deux (gauche) et quatre interrupteurs (droite)................70 Figure 76: Signal du « mutateur »......................................................................................71 Figure 77: Conduction dans un mutateur en pont, charge résistive...................................72 Figure 78: Conduction dans un mutateur en pont, charge réactive ...................................72 Figure 79: Signal de l’onduleur en créneaux......................................................................73 Figure 80: Amplitude des premières harmoniques en fonction de ß..................................73 Figure 81: Onduleur MLI ....................................................................................................73 Figure 82: Onduleur MLI – deux commutations pat ¼ de période .....................................74 Figure 83: Contrôle de la tension – onduleur MLI ..............................................................74 Figure 84: Schéma de principe de l'onduleur triphasé .......................................................75 Figure 85: Allure des tensions d'un onduleur triphasé pour une commande rectangulaire 76 Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Figure 86: Inverter part of a Chloride Excor single phase UPS..........................................77 Figure 87: Detail of the power part of the “Sepont” ............................................................78 Figure 88: Schematic for principle explanation ..................................................................78 Figure 89: Shape of the AC Output....................................................................................79 Figure 90 : Exemple application site : système monobloc ‘Chloride’ Apodys EXCOR.......80 Figure 91 : Synchronisation d’ASI......................................................................................81 Figure 92 : Configuration ASI sur site : simple ou double ..................................................82 Figure 93 : Les éléments principaux d’une ASI..................................................................83 Figure 94 : Exploitation normale ........................................................................................83 Figure 95 : Panne de l’alimentation CA primaire (normale) ...............................................84 Figure 96 : Alimentation de secours en mode charge........................................................84 Figure 97 : Maintenance en mode dérivation.....................................................................85 Figure 98 : Synoptique général d’une ASI Excor de Chloride ............................................86 Figure 99 : Partie interrupteur statique d’une ASI Excor de Chloride.................................87 Figure 100 : Partie commutateur by-pass d’une ASI Excor de Chloride ............................88 Figure 101 : Commutation des contacts pour l’interrupteur de by-pass de l’ASI................89 Figure 102 : Résumé des trois (+ deux) schémas de liaison à la terre définis par les normes CEI et NF. ......................................................................................................92 Figure 103 : Exemple de coexistence entre les divers SLT ...............................................93 Figure 104 : Schéma de principe d’une ASI double conversion dite ON-LINE .................96 Figure 105 : Schéma d’une ASI fonctionnant en interaction directe avec le réseau ..........96 Figure 106 : Schéma d’une ASI fonctionnant en attente passive OFF-LINE .....................97 Figure 107 : trois ASI en parallèle et en redondante active avec by-pass unique..............98 Figure 108 : n ASI mises en parallèle en redondance active avec une voie by-pass par unité d’AS ...................................................................................................................99 Figure 109 : Exemple de deux ASI identiques en redondance passive avec by-pass .......99 Figure 110 : Différents emplacements possibles des transformateurs pour le cas mise en parallèle en redondance active d’ASI de type double conversion.............................100 Figure 111 : ASI assurant protection des personnes contre risques de contact direct avec degré IP 215 .............................................................................................................101 Figure 112 : Différentes façons d’isoler galvaniquement réseaux amont et aval d’une ASI .................................................................................................................................103 Figure 113 : SLT TT en aval (SLT amont indifférent - TT, TN ou IT) ...............................108 Figure 114 : SLT TNC en aval (SLT amont indifférent - TT, TN ou IT) ............................108 Figure 115 : SLT TNS en aval (SLT amont indifférent - TT, TN ou IT) ............................109 Figure 116 : SLT IT en aval (SLT amont indifférent - TT, TN ou IT). ...............................109 Figure 117 : Sans isolement galvanique, les combinaisons possibles sont le SLT TN-C en amont et les SLT TN-S ou TT en aval ......................................................................110 Figure 118 : SLT amont indifférent, SLT aval TT .............................................................111 Figure 119 : SLT amont indifférent, SLT aval TN-C.........................................................112 Figure 120 : SLT amont indifférent, SLT aval IT ..............................................................112 Figure 121 : Avec les deux transformateurs TB et TR placés en amont (cas de 2 sources distinctes), les SLT amont et aval peuvent être différents. .......................................113 Figure 122 : Avec un seul transformateur TS [a] ou TE [b] les SLT amont et aval peuvent être différents............................................................................................................114 Figure 123: Sans isolement galvanique, SLT identiques en amont et en aval.................115 Figure 124: SLT IT amont et aval, CPI2 mis en service par absence de tension amont..117 Figure 125: SLT TN-S amont et aval. ..............................................................................117 Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Figure 126: l’isolement galvanique créé par les transformateurs placés en amont autorise des SLT différents, en amont et en aval des ASI......................................................118 Figure 127: Cas d’ASI avec transformateur onduleur (TO)..............................................120 Figure 128: Cas d’ASI sans transformateur .....................................................................121 Figure 129: Mise en parallèle avec transformateurs amont indépendants.......................122 Figure 130: Mise en parallèle avec un seul transformateur .............................................123 Figure 131: SLT amont et aval différents, TNC amont et TNS aval. ................................123 Figure 132: SLT amont et aval identiques .......................................................................124 Figure 133: Exemples de la mise en parallèle de plusieurs unités d’ASI, ........................125 Figure 134 : Commutation de l’alimentation d’une charge par contacteurs statiques entre deux sources distinctes. ...........................................................................................126 Figure 135 : SLT amont indifférents, avec SLT aval [a] TT, [b] TN-S, [c] TN-C, [d] IT...128 Figure 136 : Cas de SLT TT amont et TN-S aval.............................................................130 Figure 137 : Cas de SLT IT amont et TN-S aval..............................................................130 Figure 138 : Cas de SLT TN-C amont et TN-S aval ........................................................131 Figure 139 : Avec le SLT TN-C, il n’est pas nécessaire de commuter le Neutre même s’il est distribué en aval..................................................................................................132 Figure 140 : Hors le cas des SLT TN-C, la commutation du neutre se justifie en raison des courants de circulation importants qui peuvent parcourir ce conducteur ..................133 Figure 141 : Dispositif différentiel super immunisé type siE (Interrupteur différentiel ID, marque Merlin Gérin)................................................................................................134 Figure 142 : Schéma de principe d’un contrôleur permanent d’isolement -CPI- à injection de courant.................................................................................................................136 Figure 143 : Vigilohm XM200, un CPI à injection de courant à basse fréquence et Vigilohm TR22A, un CPI à injection de courant continu (marque Merlin Gerin) ......................136 Figure 144 : Schéma de principe d’un contrôleur permanent d’isolement -CPI- à balance voltmétrique ..............................................................................................................137 Figure 145 : Le Vigilohm TR5, un CPI à balance voltmétrique (marque Merlin Gerin) ....137 Figure 146 : Différentes formes de courants de défaut non alternatifs applicables aux DDR de classe A ...............................................................................................................138 Figure 147 : Différentes formes de courants de défaut nécessitant DDR de classe B.....139 Figure 148: Surveillance de l’isolement d’une chaîne d’ASI avec batterie d’accumulateurs isolée des installations amont et aval .......................................................................142 Figure 149 : Surveillance de l’isolement d’une chaîne d’ASI avec batterie d’accumulateurs non isolée de l’installation amont exploitée en schéma TTet isolée de l’installation aval .................................................................................................................................143 Figure 150 : surveillance de l’isolement d’une chaîne d’ASI avec batterie d’accumulateurs non isolée de l’installation amont exploitée en schéma TN ou IT, et isolée de l’installation aval. ......................................................................................................143 Figure 151 : Dispositifs de protection des personnes d’une chaîne d’ASI pour les circuits CC isolés de l’installation amont et non isolés de l’installation aval exploitée en schéma TT, sans transformateur TB. .......................................................................145 Figure 152 : Dispositifs de protection des personnes d’une chaîne d’ASI pour les circuits CC isolés de l’installation amont et non isolés de l’installation aval exploitée en schéma TT, avec transformateur TB. .......................................................................145 Figure 153: Dispositions à prendre pour isoler une chaîne d’ASI en cas de défaut d’isolement, pour des ASI isolées de l’installation amont et non isolées de l’installation aval exploitée en schéma TT....................................................................................146 Manuel de formation EXP-MN-SE090-FR Dernière révision: 26/11/2008

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Figure 154 : Dispositifs de protection des personnes d’une chaîne d’ASI pour les circuits CC isolés de l’installation amont et non isolés de l’installation aval exploitée en schéma IT, sans transformateur TB..........................................................................147 Figure 155 : Protection des personnes pour les circuits CC d’une chaîne d’ASI non isolée des installations amont et aval exploitées en schéma TT -Disposition de base- ......148 Figure 156 : Protection des personnes pour les circuits CC d’une chaîne d’ASI non isolée des installations amont et aval exploitées en schéma TT -Disposition pour optimiser la continuité de service .................................................................................................149 Figure 157 : Protection des personnes pour les circuits CC d’une chaîne d’ASI non isolée des installations amont et aval exploitées en schéma IT ..........................................150 Figure 158 : Principe de la régulation de vitesse .............................................................154 Figure 159 Quatre situations possibles d’une machine dans son diagramme couple vitesse ......................................................................................................................156 Figure 160 Schémas de principe convertisseurs .............................................................157 Figure 161 Courbe de fonctionnement à couple constant ..............................................158 Figure 162 Courbes de fonctionnement à couple variable..............................................159 Figure 163 Courbes de fonctionnement à puissance constante .....................................159 Figure 163 Schéma d’un redresseur contrôlé pour moteur à courant continu. ...............160 Figure 165 Schéma de principe d’un convertisseur de fréquence ..................................161 Figure 166 Démarreur de moteurs asynchrones et forme du courant d’alimentation. ....161 Figure 167 Structure générale d’un variateur de vitesse électronique. ...........................162 Figure 168 Schéma d’un variateur avec inversion de marche et freinage par récupération d’énergie pour un moteur à courant continu. ............................................................165 Figure 169 la modulation de largeur d’impulsions...........................................................168 Figure 170 caractéristiques de couple d’un variateur (Altivar 66 – Télémécanique).......169 Figure 171 : Schéma de principe d’un variateur à contrôle vectoriel de flux ....................171 Figure 172 : Caractéristiques moteur à sa mise sous tension par variateur avec contrôle vectoriel de flux sans capteur (type ATV58F – Télémécanique................................172 Figure 173 : Schéma de principe d’un variateur avec contrôle vectoriel de flux avec capteur......................................................................................................................173 Figure 174 : Oscillogramme mise en vitesse, chargé à son couple nominal alimenté par un variateur avec contrôle vectoriel de flux (type ATV58F - Télémécanique)................174 Figure 174 : couple d’un moteur asynchrone à charge constante alimenté par un convertisseur de fréquence ......................................................................................176 Figure 176: Couple disponible d’un moteur asynchrone alimenté à tension variable et dont le récepteur présente un couple résistant parabolique (ventilateur) .........................177 Figure 177 : Moto-variateur synchrone (Variateur Lexium + moteur, Schneider Electric). .................................................................................................................................180 Figure 178 : Schéma de principe d’un variateur pour moteur bipolaire pas à pas. ..........181 Figure 179 : Allure du courant résultant d’une commande à MLI.....................................182 Figure 180 : Diagramme, courbes d’intensité et principe d’échelons pour une commande en micropas d’un moto - variateur pas-à-pas. ..........................................................182 Figure 181 : Variateur comportant de nombreuses fonctions intégrées (ATV58H – Télémécanique). .......................................................................................................184

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11. TABLES Table 1: Spécification technique du thyristor .....................................................................17 Table 2: performances respectives d’un variateur dans les trois configurations possibles (type ATV58F - Télémécanique)...............................................................................174

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