Démarreurs et contrôleurs
Explications préliminaires
Machines à courant alternatif 1955
L'étude des appareils de commande couvre un champ très -vaste où se posent les problèmes les plus variés.
Ces appareils varient depuis un simple interrupteur unipolaire servant au démarrage et à l'arrêt d'un petit moteur jusqu'à un contrôleur très compliqué servant aux conditions de marche d'un grand moteur telles que démarrage, réglage de la vitesse, freinage, arrêt, inversion du sens de rotation, cycles de mouvements, etc.
L'appareil électrique de commande, le moteur et la machine commandée sont intimement liés. On considère l'appareil de commande comme le cerveau qui contrôle les mouvements exécutés par le moteur (Fig. 104).
Fig. 104. — « Cabinetrol» système centralisé d'appareils de commande électriques, démarreurs, contrôleurs, etc.
Parmi les nombreux facteurs qui déterminent le choix d'un moteur et de son équipement de commande, les conditions de marche du moteur viennent au premier rang.
La suite est une étude pratique de la construction, du fonctionnement et de l'installation des démarreurs et des contrôleurs à courant alternatif les plus en usages.
Tous ces appareils de construction différente possèdent des propriétés particulières. Les leçons qu'on en retirera serviront à comprendre beaucoup d'autres appareils que l'on rencontre en pratique mais qu'on ne décrit pas ici.
Cettte section a pour but de préparer l'électricien à la sélection, à l'installation, à la réparation et à l'entretien de ces appareils.
L'étude des démarreurs et des contrôleurs à courant continu, faciliterait la compréhension du fonctionnement des appareils de commande à courant alternatif traités dans le présent ouvrage.
Protection contre la surintensité du courant d'un moteur.
L'intensité du courant d'un moteur augmente avec les charges ou lors d'un défaut dans le moteur. Dans le but de protéger ce dernier contre un courant excessif, on relie en série, dans le circuit du moteur, un dispositif de protection contre la surintensité ou la surcharge.
Ce dispositif coupe le circuit d'alimentation du moteur lorsque l'intensité du courant dépasse une valeur prédéterminée.
Les appareils de protection contre la surintensité du courant d'un moteur sont les fusibles ordinaires, les fusibles à action différée (time lagfuse), protecteurs thermiques, les déclencheurs thermiques, les relais thermiques, les relais électromagnétiques et les disjoncteurs.
Déclencheurs thermiques (thermal protection)
II existe plusieurs sortes de déclencheurs thermiques mais on peut les classer en déclencheurs thermiques à éléments bimétalliques et à alliages fusibles.
a) Déclencheur thermique à éléments bimétalliques
Un déclencheur thermique bimétallique est un appareil qui, par déformation d'éléments bimétalliques, sous l'effet de la chaleur produite par un élément de chauffage parcouru par le courant du moteur, déclenche un démarreur lors d'une surintensité du courant.
Cet appareil comprend essentiellement un élément thermique ou de chauffage et un élément bimétallique; ce dernier a la forme d'une lame ou celle d'un disque.
Sous l'effet de la chaleur produite par la surintensité du courant parcourant l'élément de chauffage, la lame se courbe ou le disque bombe: dans chaque cas, l'élément bimétallique en agissant directement sur le mécanisme du démarreur en produit le déclenchement.
Les éléments de chauffage des déclencheurs thermiques sont interchangeables et calibrés en ampères; pour chaque application, on adapte exactement le calibre au moteur à protéger.
Un même démarreur peut servir à plusieurs moteurs de puissance et de tension différentes mais, pour chaque moteur, il faut un élément de chauffage calibré selon l'intensité du courant indiquée sur la plaque signalétique du moteur.
Alors, en cas de surintensité du courant, réchauffement du déclencheur correspond à celui du moteur et son déclenchement se produit avant que le moteur n'atteigne une température dangereuse, autrement le moteur ne serait pas protégé adéquatement.
Il y a dans les catalogues des démarreurs, des tables permettant de choisir l'élément thermique ou de chauffage approprié à chaque moteur et cela pour chaque type de démarreur ou de contrôleur.
On emploie beaucoup les déclencheurs thermiques dans les démarreurs et les contrôleurs des moteurs à courant monophasé et triphasé de petite puissance.
b) Déclencheur thermique à alliage fusible
Le déclencheur thermique à alliage fusible comprend un élément thermique ou de chauffage calibré et relié en série dans le circuit du moteur. Cet élément entoure un cylindre dans lequel est soudé, avec un alliage fusible à environ 212° F., l'arbre d'un petit engrenage.
L'engrenage fixe un levier à ressort et, advenant une surintensité prolongée du courant, l'alliage fond et libère le levier qui déclenche le démarreur et produit l'ouverture du circuit d'alimentation du moteur.
Relais thermique {thermal relay)
Un relais thermique est un déclencheur thermique modifié auquel on a ajouté un contact. L'élément thermique est relié en série dans le circuit d'alimentation du moteur et le contact, dans le circuit de commande d'un démarreur ou d'un contrôleur électromagnétique.
En cas d'une surintensité prolongée du courant du moteur, au lieu d'agir directement sur le mécanisme du démarreur, le relais thermique ouvre simplement le circuit de commande et produit le déclenchement du démarreur ou du contrôleur et l'ouverture du circuit d'alimentation.
On emploie beaucoup ces relais pour les moteurs de petite et de moyenne puissance.
Le déclencheur ou relais thermique protège efficacement un moteur contre les surintensités du courant et contrôle indirectement la température d'un moteur en marche à vitesse constante.
N'étant pas directement affecté par la température du moteur, le déclencheur n'offre aucune protection en cas d'un échauffement nuisible du moteur, susceptible de se produire lors d'un démarrage lent et pénible, d'une basse tension, de freinages électriques, de démarrages fréquents, d'un régime intermittent, d'une vitesse variable, d'une température ambiante élevée, d'une mauvaise ventilation, d'un moteur à vitesses multiples, etc.
Dans de tels cas, la seule protection efficace est la méthode de protection directe basée sur le contrôle de la température même du moteur, protection qu'on obtient en plaçant des protecteurs thermiques directement dans le moteur à protéger.
Protecteur thermique (thermal protector)
Le protecteur thermique est un petit thermostat calibré unipolaire comprenant une lame ou un disque bimétallique logé dans une capsule en métal portant un contact isolé ordinairement fermé.
Dès que la température du moteur dépasse la valeur admissible sous l'effet de la chaleur, le protecteur thermique placé directement dans la moteur ouvre le circuit d'alimentation des petits moteurs à courant monophasé ou le circuit de commande des démarreurs ou des contrôleurs des autres moteurs.
Raccordement
On raccorde le protecteur thermique en série dans le circuit d'alimentation des petits moteurs à courant monophasé, et, pour tous les autres moteurs, en série dans le circuit de commande du démarreur ou du contrôleur.
On ne le raccorde pas en série dans le circuit d'alimentation d'un petit moteur à courant triphasé car, lors de son ouverture, le moteur pourrait continuer de fonctionner sur une phase seulement.
Place
Dans le cas de petits moteurs, on place le protecteur thermique sur le noyau du stator, on le fixe à l'intérieur d'une flasque ou directement sur les têtes de bobines.
Dans le cas de moteurs à courant triphasé, on le place entre les têtes de bobines de deux phases différentes; parfois, on le place sur une bande de cuivre insérée dans les têtes de bobines de deux phases différentes.
La meilleure protection d'un moteur à courant triphasé s'obtient en plaçant plusieurs protecteurs thermiques dans les têtes de bobines de différentes phases sur chaque côté du stator.
Lorsqu'on ne place pas les protecteurs directement sur les têtes de bobines, on les calibre pour compenser la différence de température entre le stator et celle des bobines.
On trouve aussi des moteurs
munis d'un protecteur thermique additionnel qui sert à fermer le circuit d'une
alarme.
Rétablissement. La plupart des protecteurs thermiques sont à
rétablissement automatique. Leur contact ferme automatiquement dès que la
température baisse suffisamment.
On en trouve aussi à action différée et à rétablissement manuel munis d'un bouton de réenclenchement. Ces derniers protecteurs s'avèrent obligatoires dans le circuit des petits moteurs à courant monophasé commandant des machines dangereuses.
Bref, ce petit appareil simple et peu dispendieux protège efficacement tout moteur contre réchauffement nuisible, quels qu'en soient la puissance, le régime de marche ou les conditions de service. Il permet en outre d'utiliser la puissance maximum du moteur.
Protecteur « thermoguard »
Le protecteur « thermoguard » comprend à la fois un disque bimétallique et un élément thermique en série avec le moteur (Fig. 105).
Fig. 105. — Protecteur « thermoguard »
Son fonctionnement est influencé par l'intensité du courant et la température du moteur.
Il offre une protection maximum pour les moteurs à courant monophasé de petite puissance, surtout en cas d'une surintensité soudaine du courant produite par une grande surcharge ou lorsque le moteur refuse de démarrer.
Plaque signalétique
Chaque démarreur ou contrôleur est muni d'une plaque signalétique indiquant principalement le calibre en H.P., la tension, la fréquence, la nature et l'intensité du courant, le type, le numéro, le nom du fabricant, etc.
Ces renseignements indiquent si
l'appareil de commande convient parfaitement au moteur sur lequel on l'emploie.
Frein mécanique électromagnétique
Le frein mécanique électromagnétique se compose d'une carcasse et d'un électro-aimant à noyau mobile actionnant des leviers qui attirent ou éloignent des sabots ou une bande sur la poulie du moteur permettant le freinage et le blocage de ce dernier à l'aide de ressorts ou de contrepoids (Fig. 106).
Fig-106. — Frein électromagnétique
Le déblocage s'effectue électriquement dès que la bobine de l'électro-aimant est sous tension. Le blocage se produit dès la mise hors tension.
Cet appareil permet de réduire le temps d'arrêt d'un moteur, de le bloquer ou de l'immobiliser, et empêche une mise en marche intempestive.
Circuits
Les démarreurs et contrôleurs électromagnétiques comprennent deux circuits distincts: le circuit principal et le circuit de commande.
a) Circuit principal (main or motor circuit)
Le circuit principal est le circuit d'alimentation du moteur.
Il comprend les gros conducteurs, les gros contacts des contacteurs, la bobine ou l'élément thermique des relais de surcharge et, dans le cas de démarrage à tension réduite, les grosses résistances, les réactances ou l'autotransformateur.
b) Circuit de commande (control circuit)
Le circuit de commande est celui qui alimente les bobines des contacteurs shunt, des relais, des déclencheurs, etc.
Il comprend les petits fils, les relais, les petits contacts, les bobines des contacteurs principaux, les contacts des relais de surcharge, les contacts de verrouillage, etc.
Les postes à boutons-pressoirs ou un appareil de commande manuel ou automatique commandent ce circuit.
Souvent, le circuit de commande se compose de plusieurs circuits. On trace alors le parcours du courant dans chaque circuit en partant d'un fil de ligne et en suivant tout le circuit pour revenir à l'autre fil de ligne.
Le circuit de commande cause la fermeture ou l'ouverture des divers contacteurs qui, à leur tour, ferment ou ouvrent le circuit principal du moteur ou court-circuitent les résistances ou les réactances au démarrage ou inversent le sens de rotation en croisant deux des trois fils d'alimentation du moteur, etc.
Commutateurs et contrôleurs de commande (master switches and controllers)
Un appareil de commande agit sur le circuit de commande des démarreurs ou des contrôleurs magnétiques; cet appareil ouvre ou ferme le circuit ou une partie du circuit ; il en résulte l'ouverture ou la fermeture des contacteurs et des appareils auxiliaires servant au démarrage ou aux autres manoeuvres du moteur.
Commutateur de commande (master switch)
On peut classer plusieurs appareils manuels ou automatiques comme commutateurs de commande.
Les commutateurs de commande automatiques sont les thermostats, les commutateurs à pression et à vide, l'interrupteur ou relais centrifuge, les thermocouples, la cellule photo-électrique, le commutateur de fin de course, le commutateur chronométrique, le commutateur de niveau (float switch) et plusieurs autres appareils spéciaux.
Commutateurs de commande manuels
Parmi les commutateurs de commande manuels on mentionne les postes à boutons-pressoirs ainsi que plusieurs petits commutateurs tels que les commutateurs actionnés avec le pied, les commutateurs rotatifs, etc.
Poste à boutons-pressoirs (push-button station)
Un poste à boutons-pressoirs comprend un ou plusieurs boutons-pressoirs. Il peut avoir, en plus, une lampe-témoin de même qu'un ou plusieurs commutateurs spéciaux.
Chaque bouton ferme ou ouvre un circuit. Ces postes servent à la commande des démarreurs ou des contrôleurs magnétiques.
Les boutons sont marqués marche (start), arrêt (stop), avant (forward), arrière (reverse), secousse (inch or jog), etc., suivant leur rôle.
Les démarreurs et régulateurs magnétiques peuvent être munis de deux types de protection:
déclenchement sous basse tension et protection contre la basse tension.
Déclenchement sous basse tension (low-voltage release)
Le démarreur ouvre le circuit du moteur lors d'un manque ou d'une tension trop faible et rétablit automatiquement le circuit dès le retour de la tension ou dès une augmentation suffisante.
Dans ce cas, on emploie le système de commande dit à deux fils ainsi que des boutons spéciaux dont le contact, une fois établi, est maintenu mécaniquement comme celui d'un interrupteur d'éclairage jusqu'à ce qu'on presse de nouveau sur le bouton (Fig. 107).
Fig. 107. — Circuit de commande pour déclenchement sous basse tension
Protection contre la basse tension (low-voltage protection)
Le démarreur ou régulateur ouvre le circuit lors d'une forte baisse ou d'un manque de tension et il maintient l'interruption même au retour de la tension.
Dans ce cas, on utilise le système de commande dit à trois fils et des boutons-pressoirs à contact momentané (Fig. 108).
Fig. 108. — Circuit de commande de protection contre la basse tension
CONTACTS DE VERROUILLAGE ELECTRIQUE (V-E.)
Règle pour relier les postes à boutons-pressoirs lorsqu'il y a protection contre la basse tension
a) On relie en série tous les boutons d'arrêt (stop) la bobine de l'électro et les contacts de verrouillage électrique.
b) On relie en parallèle tous les boutons de démarrage (start) et les contacts de verrouillage électrique.
Note
On considère comme boutons-pressoirs les interrupteurs de fin de course normalement fermés comme les boutons d'arrêt (stop) et normalement ouverts comme les boutons de marche (start).
Les figures 109 à 113 illustrent les schémas de quelques circuits de commande.
Fig. 109. — Schéma d'un circuit de commande avec poste à boutons-pressoirs et lampe-témoin
Fig. 110. — Schéma d'un circuit de commande, marche, arrêt et secousse (secousse en pressant à la fois les boutons d'arrêt et de secousse)
Fig. 111. — Schéma d'un circuit de commande marche, arrêt et secousse (fixation du bouton d'arrêt avec le loquet pour secousse)
Fig. 112. — Circuit de commande avec poste à boutons-pressoirs et commutateur sélectionneur pour secousse
Fig. 113. — Schéma d'un circuit de commande à deux postes à boutons-pressoirs
Contrôleurs de commande (master controllers)
Les contrôleurs de commande sont semblables aux contrôleurs des machines à courant continu. La différence entre ces contrôleurs réside dans leur emploi.
Au lieu d'agir sur le circuit principal du moteur, ils agissent sur le circuit de commande du démarreur ou du contrôleur. Ils sont de types à contacts plats (pancake), à tambour et à cames et peuvent être manuels ou actionnés par un petit moteur.
Contacteurs (contactors)
Les contacteurs shunt sont les plus employés pour les démarreurs et les contrôleurs magnétiques et semi-magnétiques.
Relais
Les relais les plus en usage pour les démarreurs et contrôleurs précédents sont les relais shunt, les relais de surcharge thermiques ou électromagnétiques et les relais temporisateurs.
Relais temporisateur (tinte élément relay)
Un relais temporisateur est un relais shunt avec un dashpot ou un mécanisme d'horlogerie qui en retarde la fermeture. Il y a aussi le relais à action différée (time-delay relay) qui comprend un petit moteur qu'on décrit plus loin.
Contact avec temporisateur
Le contact avec temporisateur est le contact auxiliaire d'un contacteur dont la fermeture est retardée par un dashpot ou un mécanisme d'horlogerie.
Relais motorisé à action différée (definite time relay)
L'organe principal du relais motorisé à action différée est un minuscule moteur à courant monophasé entraînant un disque par l'intermédiaire d'un train d'engrenages à grande démultiplication (Fig. 114).
Fig. 114. — Relais à action différée
Le réglage grossier s'effectue en changeant la démultiplication des engrenages tandis que le réglage fin s'effectue en déplaçant la manette sur la face avant du disque ; ceci permet de varier l'angle à parcourir avant que le doigt ne libère le loquet déclencheur des contacts.
La vitesse du disque étant constante, une diminution de la valeur de l'angle de réglage raccourcit le temps, tandis qu'une augmentation le prolonge.
Ce relais dont la mise au point est simple et rapide est d'une grande précision et assure un réglage parfait de l'automaticité. Son fonctionnement très sûr est indépendant des variations de température.
Ainsi, en réglant le temps d'enclenchement ou de déclenchement de chaque contacteur suivant les nécessités de la commande, il assure une séquence correcte des opérations lors des applications variées suivantes.
a) Réglage de la temporisation nécessaire entre la commutation de la position de démarrage et la position de marche lors du démarrage automatique des moteurs à courant triphasé à tension réduite ou en étoile-triangle.
b) Fonctionnement d'un moteur pendant un temps défini et arrêt.
c) Fonctionnement d'un moteur pendant un temps déterminé dans un sens et ensuite inversion du sens dé rotation.
d) Deux moteurs fonctionnant alternativement, le premier moteur fonctionnant pendant un temps déterminé arrête et le deuxième moteur démarre.
e) Démarrage en succession de deux moteurs: démarrage du premier moteur et, après temporisation, démarrage du second moteur.
Relais de protection contre l'ouverture ou l'inversion de phase (open phase and reverse phase relay)
Le relais de protection contre l'ouverture ou l'inversion de phase comprend quatre électro-aimants et un disque d'aluminium ayant la forme d'une came.
Advenant l'ouverture ou l'inversion des phases, le disque tourne dans le sens contraire des aiguilles d'une montre et ouvre le circuit de commande du démarreur ou du contrôleur (Fig. 115a).
Fig. 115. — Relais de protection contre l'ouverture ou l'inversion de phase
On emploie principalement ce relais pour des applications où l'inversion accidentelle du sens de rotation d'une machine, par inversion de l'ordre des phases, a des conséquences graves et onéreuses.
La figure 115b est le schéma du relais précédent tel qu'employé avec des transformateurs de courant lorsque l'intensité du courant du moteur dépasse la valeur nominale du relais.
