Choix des contacteurs en basse tension

Le contacteur est un appareil de connexion à bobine commandée qui est généralement maintenu fermé par un courant permanent (réduit) circulant dans la bobine (bien qu’il existe des variantes à maintien mécanique pour des applications particulières).

Les contacteurs sont conçus pour effectuer un nombre très important de cycles de manœuvres «fermé/ouvert» et sont généralement commandés à distance par des boutons poussoirs ou des interrupteurs.

Les caractéristiques et le nombre de cycles de manœuvres sont définis dans les normes CEI 60947-4-1 :
– La durée de fonctionnement : service continu (8 h), ininterrompu, intermittent, temporaire (par exemple : 3, 10, 30, 60 ou 90 minutes).
– Les catégories d’emploi : par exemple, un contacteur de la catégorie AC3 peut être utilisé pour démarrer et arrêter un moteur à cage d’écureuil.
– La fréquence des cycles de manœuvre (1 à 1 200 cycles par heure).
– L’endurance mécanique (nombre de manœuvres à vide).
– L’endurance électrique (nombre de manœuvres en charge).
– Les pouvoirs assignés de fermeture et de coupure fonction de la catégorie d’emploi.

Exemple :
Un contacteur de calibre 150 A et de catégorie d’emploi AC3 doit posséder :
– Un pouvoir de coupure minimal de 8 In (1200 A).
– Un pouvoir de fermeture minimal de 10 In (1500 A) sous cos φ = 0,35.

Quelques définitions et commentaires

Courant assigné d’emploi (Ie)
Il est défini suivant la tension assignée d’emploi, la fréquence et le service assignés, la catégorie d’emploi et la température de l’air au voisinage de l’appareil :
– Sans restriction pour des températures comprises entre – 5 et + 55 °C.
– Avec restrictions éventuelles pour des températures comprises entre – 50 et + 70 °C.

Courant thermique conventionnel (Ith) (à l’air libre, selon IEC)
Un contacteur en position fermée peut supporter ce courant Ith pendant au moins 8 heures sans que son échauffement dépasse les limites prescrites par les normes.

Tension assignée d’emploi (Ue)
Valeur de tension qui, combinée avec un courant assigné d’emploi, détermine l’emploi du contacteur ou du démarreur, et à laquelle se rapportent les essais correspondants et la catégorie d’emploi.
Pour les circuits triphasés, elle s’exprime par la tension entre phases.
Sauf cas particuliers tel que court-circuiteur rotorique, la tension assignée d’emploi Ue est au plus égale à la tension assignée d’isolement Ui.

Tension assignée du circuit de commande (Uc)
Valeur assignée de la tension de commande sur laquelle sont basées les caractéristiques de fonctionnement. Dans le cas de tension alternative, elles sont données pour une forme d’onde pratiquement sinusoïdale (moins de 5 % de distorsion d’harmonique totale).

Tension assignée d’isolement (Ui)
La tension assignée d’isolement d’un appareil est la valeur de la tension qui sert à désigner cet isolement et à laquelle se rapportent les essais diélectriques, les lignes de fuite et les distances dans l’air.
Les prescriptions n’étant pas identiques pour toutes les normes, la valeur retenue pour chacune d’elles peut être parfois différente.

Tension assignée de tenue aux chocs (Uimp)
Valeur de crête d’une tension de choc que le matériel est susceptible de supporter sans claquage.

Puissance assignée d’emploi (s’exprime en kW)
Puissance du moteur normalisé pour lequel le contacteur est prévu à la tension assignée d’emploi.

Pouvoir assigné de coupure (*)
Il correspond à la valeur du courant que le contacteur peut couper dans des conditions de coupure spécifiées par la norme IEC.

Pouvoir assigné de fermeture (*)
Il correspond à la valeur du courant que le contacteur peut établir dans des conditions de fermeture spécifiées par la norme IEC.

(*) En courant alternatif, le pouvoir assigné de coupure et le pouvoir assigné de fermeture s’expriment par la valeur efficace de la composante symétrique du courant de court-circuit.
Compte tenu de l’asymétrie maximale pouvant exister dans le circuit, les contacts supportent donc un courant asymétrique de crête environ deux fois supérieur.

Facteur de marche (m)
C’est le rapport entre la durée de passage t du courant I et la durée du cycle T.
m = t / T
Durée du cycle : c’est la somme des durées de passage du courant et de la période de repos.

Impédance des pôles
L’impédance d’un pôle est la somme des impédances des différents éléments constitutifs qui caractérisent le circuit, de la borne d’entrée à la borne de sortie. L’impédance se décompose en une partie résistive (R) et une partie inductive (X = Lω). L’impédance totale est donc fonction de la fréquence et est exprimée pour 50 Hz. Cette valeur moyenne est donnée pour le pôle à son courant assigné d’emploi.

Durabilité électrique
Elle est définie par le nombre moyen de cycles de manoeuvres en charge que les contacts de pôles sont susceptibles d’effectuer sans entretien. Il dépend de la catégorie d’emploi, du courant et de la tension assignés d’emploi.

Durabilité mécanique
Elle est définie par le nombre moyen de cycles de manœuvres à vide, c’est-à-dire sans courant traversant les pôles, que le contacteur est susceptible d’effectuer sans défaillance mécanique.

Altitude
L’affaiblissement de la densité de l’air avec l’altitude agit sur la tension disruptive de l’air, donc sur la tension assignée d’emploi du contacteur ainsi que sur son pouvoir réfrigérant, donc sur son courant assigné d’emploi (si la température ne baisse pas simultanément).
Aucun déclassement jusqu’à 3000 m. Coefficients d’emploi à appliquer au-dessus de cette altitude pour la tension et le courant au niveau des pôles puissance (courant alternatif).

Catégories d’emploi pour contacteurs selon IEC 947-4

Les catégories d’emploi normalisées fixent les valeurs de courant que le contacteur doit établir ou couper.
Elles dépendent :
– De la nature du récepteur contrôlé : moteur à cage ou à bagues, résistances.
– Des conditions dans lesquelles s’effectuent les fermetures et ouvertures : moteur lancé ou calé ou en cours de démarrage, inversion de sens de marche, freinage en contre-courant.

Emploi en courant alternatif

Catégorie AC-1
Elle s’applique à tous les appareils d’utilisation à courant alternatif (récepteurs), dont le facteur de puissance est au moins égal à 0,95 (cos φ ≥ 0,95).
Exemples d’utilisation : chauffage, distribution.

Catégorie AC-2
Cette catégorie régit le démarrage, le freinage en contre-courant ainsi que la marche par “à-coups” des moteurs à bagues.
A la fermeture, le contacteur établit le courant de démarrage, voisin de 2,5 fois le courant nominal du moteur.
A l’ouverture, il doit couper le courant de démarrage, sous une tension au plus égale à la tension du réseau.

Catégorie AC-3
Elle concerne les moteurs à cage dont la coupure s’effectue moteur lancé.
A la fermeture, le contacteur établit le courant de démarrage qui est de 5 à 7 fois le courant nominal du moteur.
A l’ouverture, le contacteur coupe le courant nominal absorbé par le moteur, à cet instant, la tension aux bornes de ses pôles est de l’ordre de 20 % de la tension du réseau.
Exemples d’utilisation : tous moteurs à cage courants : ascenseurs, escaliers roulants, bandes transporteuses, élévateurs à godets, compresseurs, pompes, malaxeurs, climatiseurs, etc.

Catégories AC-4 et AC-2
Ces catégories concernent les applications avec freinage en contre-courant et marche par “à-coups” avec des moteurs à cage ou à bagues.
Le contacteur se ferme sous une pointe de courant qui peut atteindre 5 à 7 fois le courant nominal du moteur.
Lorsqu’il s’ouvre, il coupe ce même courant sous une tension d’autant plus importante que la vitesse du moteur est faible. Cette tension peut être égale à celle du réseau. La coupure est sévère.
Exemples d’utilisation : machines d’imprimerie, à tréfiler, levage, métallurgie.

Emploi en courant continu

Catégorie DC-1
Elle s’applique à tous les appareils d’utilisation à courant continu (récepteurs) dont la constante de temps (L/R) est inférieure ou égale à 1 ms.

Catégorie DC-3
Cette catégorie régit le démarrage, le freinage en contre-courant ainsi que la marche par “à-coups” des moteurs shunt.
Constante de temps ≤ 2 ms.
A la fermeture, le contacteur établit le courant de démarrage, voisin de 2,5 fois le courant nominal du moteur.
A l’ouverture, il doit couper 2,5 fois le courant de démarrage sous une tension au plus égale à la tension du réseau. Tension d’autant plus élevée que la vitesse du moteur est faible et, de ce fait, sa force contre-électromotrice peu élevée. La coupure est difficile.

Catégorie DC-5
Cette catégorie concerne le démarrage, le freinage en contre-courant et la marche par “à-coups” de moteurs série. Constante de temps ≤ 7,5 ms.
Le contacteur se ferme sous une pointe de courant qui peut atteindre 2,5 fois le courant nominal du moteur.
Lorsqu’il s’ouvre, il coupe ce même courant sous une tension d’autant plus importante que la vitesse du moteur est faible.
Cette tension peut être égale à celle du réseau. La coupure est sévère.

Catégories d’emploi pour contacts et contacteurs auxiliaires selon IEC 947-5

Emploi en courant alternatif

Catégorie AC-14
Elle concerne la commande de charges électromagnétiques dont la puissance absorbée, quand l’électro-aimant est fermé, est inférieure à 72 VA. Exemple d’utilisation : commande de bobine de contacteurs et relais.

Catégorie AC-15
Elle concerne la commande de charges électromagnétiques dont la puissance absorbée, quand l’électro-aimant est fermé, est inférieure à 72 VA.
Exemple d’utilisation : commande de bobine de contacteurs.

Emploi en courant continu

Catégorie DC-13
Elle concerne la commande de charges électromagnétiques dont le temps mis pour atteindre 95 % du courant en régime établi (T = 0,95) est égal à 6 fois la puissance P absorbée par la charge (avec P ≤ 50 W).
Exemple d’utilisation : commande de bobine de contacteurs sans résistance d’économie.

Commande à grande distance

Chute de tension provoquée par le courant d’appel

Lors de la mise sous tension de la bobine de l’électroaimant d’un contacteur, le courant d’appel engendre, dans le câble de commande, une chute de tension, provoquée par la résistance des conducteurs qui peut perturber la fermeture du contacteur.
Une trop grande chute de tension dans les lignes du circuit de commande (en courant alternatif comme en courant continu) peut entraîner la non fermeture des pôles du contacteur voire la destruction de la bobine par échauffement.
Ce phénomène est amplifié par :
– Une grande longueur de ligne.
– Une tension de commande faible.
– Une section de conducteur faible.
– Une puissance à l’appel, élevée, absorbée par la bobine.

La longueur maximale du câble, en fonction de la tension de commande, de la puissance d’appel et de la section des conducteurs, est indiquée par les abaques ci-dessous.

(1) En commande 3 fils, le courant circule dans 2 conducteurs seulement.
(2) C’est la longueur du câble qui renferme 2 ou 3 conducteurs (distance du contacteur à l’organe de commande).

Remèdes
Pour diminuer les chutes de tension à l’appel, il faut :
– Augmenter la section des conducteurs.
– Choisir une tension d’alimentation plus élevée.
– Effectuer la commande par l’intermédiaire d’un contacteur auxiliaire.

Choix de la section des conducteurs
Ces abaques sont établis pour une chute de tension en ligne maximale de 5 %. Ils donnent directement la section du conducteur de cuivre à adopter pour le câble de commande, en fonction de sa longueur, de la puissance à l’appel absorbée par la bobine du contacteur et de la tension de commande.

Exemple :
Quelle section de câble adopter pour la commande d’un contacteur en 115 V, à 150 mètres de distance ?

Puissance à l’appel : 200 VA.
Sur l’abaque de gauche, page ci-contre, le point X est défini par l’intersection de la verticale pour 200 VA avec la courbe de tension ~ 115 V.
Sur l’abaque de droite, page ci-contre, le point Y est défini par l’intersection de la verticale de 150 m avec l’horizontale passant par le point X.
Adopter la section des conducteurs indiquée par la courbe atteinte par le point Y, soit : 1,5 mm².
Si le point Y tombe entre 2 courbes de section, adopter la section la plus importante.

Calcul de la longueur maximale des câbles
La longueur maximale admissible pour la chute de tension en ligne est donnée par la formule :

avec :
L : distance du contacteur à l’organe de commande, en m (longueur du câble)
U : tension d’alimentation en V
SA : puissance apparente à l’appel en VA
s : section des conducteurs en mm²
K : facteur indiqué ci-dessous.

Courant continu
Quelle que soit la puissance apparente à l’appel SA, exprimée en W, K = 1,38.

Courant résiduel dans la bobine provoqué par la capacité du câble

Lors de l’ouverture du contact de commande d’un contacteur, la capacité du câble de commande est mise en série avec la bobine de l’électroaimant. Cette capacité peut entretenir un courant résiduel dans la bobine, avec le risque que le contacteur restefermé.
Ceci concerne seulement les appareils alimentés en courant alternatif.
Ce phénomène est amplifié par :
– Une grande longueur de ligne, entre le contact de commande de la bobine et le contacteur, ou entre le contact de commande de la bobine et la source d’alimentation.
– Une tension de commande élevée.
– Une consommation de la bobine, au maintien, faible.
– Une tension de retombée du contacteur, faible.

La longueur maximale du câble de commande, en fonction de la tension d’alimentation de la bobine du contacteur, est indiquée par l’abaque ci-dessous.

Cet abaque est établi pour une capacité, entre 2 conducteurs, de 0,2 µF/km.
Il permet de déterminer s’il y a risque de maintien intempestif, en position fermée, d’un contacteur étant données la puissance absorbée par la bobine au maintien et la tension de commande, en fonction de la longueur du câble de commande.

Dans les zones situées respectivement au-dessous des droites, commande 3 fils, commande 2 fils, il y a risque de maintien intempestif.

Exemples
Quelle est la longueur maximale du câble de commande d’un contacteur en 230 V, en commande 2 fils ?

Puissance au maintien 7 VA.
Sur l’abaque de gauche, le point A est défini par l’intersection de la verticale pour 7 VA avec la courbe de tension ~ 230 V.
Sur l’abaque de droite, le point B est défini par l’intersection de l’horizontale avec la courbe de commande 2 fils.
La longueur maximale est donc 300 m.
Pour le même exemple, avec un câble de 600 m, la réponse est dans la zone de maintien intempestif. Il est nécessaire de raccorder une résistance en parallèle avec la bobine du contacteur.

Valeur de cette résistance :

Calcul de la longueur du câble
La longueur maximale du câble de commande, en ce qui concerne l’effet capacitif, est donnée par la formule :

L : distance du contacteur à l’organe de commande en km (longueur du câble)
S : puissance apparente au maintien en VA
U : tension de commande en V
Co : capacité linéique du câble µF/km.

Remèdes
Pour éviter les risques de maintien intempestif par capacité du câble, différentes solutions sont utilisées :
– Prévoir une alimentation en courant continu.
– Ajouter un redresseur selon le schéma ci-dessous tout en utilisant un électroaimant pour circuit de commande courant alternatif : dans ce cas le câble de commande est traversé par du courant redressé.
Lors du calcul de la longueur maximale, tenir compte de la résistance des conducteurs.

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