Comment la température ambiante affecte les disjoncteurs magnéto-hydrauliques et thermiques

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Les disjoncteurs magnéto-hydrauliques et thermiques ont chacun leur rôle à jouer dans la protection contre les défauts électriques.

Toutefois, dans les applications soumises à des environnements sévères et à des écarts de température ambiante importants, le disjoncteur magnéto-hydraulique offre des avantages incontestables dans la protection des circuits par rapport au disjoncteur thermique.

DIFFÉRENCES DANS LA CONCEPTION DE BASE

Disjoncteurs thermiques

Selon le fonctionnement normal des disjoncteurs thermiques, la flexion d’un élément de détection de température (bilame) entraîne l’ouverture du circuit lorsqu’une température d'étalonnage prédéterminée est atteinte. L'échauffement de l’élément de détection est principalement causé par l'échauffement I2R du courant de charge. Cet élément est également soumis aux effets d’échauffement ou de refroidissement provenant de sources externes.

La taille, la configuration, la forme physique et la résistivité électrique de l’élément de détection déterminent le pouvoir de coupure du disjoncteur. Dans certains cas, une spire chauffante est placée près de l’élément de détection et y est raccordée en série pour augmenter l’auto-échauffement du déclencheur thermique. Cela est particulièrement vrai pour les courants nominaux inférieurs à 5 A.

L’élément thermique le plus couramment utilisé prend la forme d’un “sandwich” composé de deux ou trois métaux différents. La face à faible dilatation peut être en invar (alliage de fer et de nickel) et la partie centrale peut être en cuivre pour une faible résistivité ou en nickel pour une haute résistivité. Les métaux utilisés pour la face à grande dilatation varient considérablement.

Disjoncteurs magnéto-hydrauliques

Le principe de fonctionnement des disjoncteurs magnéto-hydrauliques est différent. Le disjoncteur à retard magnétique fonctionne sur le principe du solénoïde, selon lequel un noyau mobile, maintenu par un ressort dans un tube rempli de liquide amortisseur, peut être déplacé par le champ magnétique d’une bobine en série.

Tant que le courant traversant l’unité reste à 100 % ou moins du courant nominal de l’unité, le mécanisme ne se déclenchera pas et les contacts resteront fermés. Dès que le courant atteint entre 100 % et 125 % du courant nominal de l’unité, le flux magnétique généré dans la bobine est suffisant pour que le noyau se déplace contre le ressort et vienne se plaquer contre la pièce polaire. Le mouvement du noyau contre la pièce polaire augmente suffisamment le flux dans le circuit magnétique pour entraîner la rotation de l’armature par rapport à sa position normale. Ce mouvement de rotation de l’armature provoque le déclenchement d’un percuteur qui, à son tour, déverrouille la liaison flexible du mécanisme, entraînant l’ouverture des contacts.

Le tube à retard est rempli d’un fluide de silicone qui contrôle la vitesse à laquelle le noyau se déplace dans le tube. Différentes courbes de retard peuvent donc être obtenues en utilisant des fluides de viscosité différente.

En cas de forts courants de crête dans un circuit électrique, l’intensité du flux produit dans le circuit magnétique devrait être suffisante pour déclencher l’unité sans que le noyau change de position. Pour la protection d’appareils UL tels que ceux mentionnés précédemment, il faut appliquer à la protection des courbes de retard qui permettent le déclenchement instantané à des surcharges de 600 % ou plus.

FOCUS SUR L’IMPACT DE LA TEMPÉRATURE AMBIANTE

Puisque l’actionnement des disjoncteurs thermiques dépend de l’échauffement de l’élément de détection, ils sont, par nature, affectés par la température ambiante. Bien qu’il soit possible de déployer des disjoncteurs à compensation de température (ambiante), qui intègrent un élément sensible pour compenser les variations de température externe, cette solution ne résout pas le fond du problème.

Globalement, pour choisir le bon disjoncteur thermique, il ne suffit de sélectionner le calibre adapté à l’application. Il faut également tenir compte de la température ambiante de fonctionnement, de la perte de tension admissible et de la dissipation thermique prévue.

Le défi est encore plus grand si le facteur le plus critique – la température ambiante – n’est pas connu.

Les équipementiers expédient leurs produits à travers le monde à partir de différents sites de fabrication, sans savoir dans quel environnement ces produits vont être installés. Cela veut dire qu’un disjoncteur de calibre 10 A peut se déclencher à 7 A dans un environnement chaud ou à 13 A dans un environnement froid.

Les disjoncteurs thermiques doivent faire l’objet d’un déclassement en fonction de la température ambiante. Dans les environnements chauds, le courant nominal est surdimensionné pour empêcher les déclenchements intempestifs, ce qui présente un risque du point de vue de la protection électrique. Dans les environnements froids, le temps de déclenchement peut être plus lent et le disjoncteur peut donc être sous-dimensionné pour y remédier mais, là encore, cela va à l’encontre du principe de protection électrique.

En comparaison, le disjoncteur magnéto-hydraulique n’est pas confronté aux mêmes défis et assure une performance constante entre -40 °C et +85 °C.

Le disjoncteur magnéto-hydraulique autorise également différentes options internes, comme le réglage des enroulements de bobine pour une meilleure précision du courant nominal.

Le disjoncteur magnéto-hydraulique peut également intégrer des composants supplémentaires pour amortir le flux électromagnétique associé au courant d’appel et éviter ainsi les déclenchements intempestifs ; par exemple, un shunt en acier peut être fixé en haut de la bobine pour atténuer les effets d’un fort courant d’appel ou un volant d'inertie peut être attaché à l’armature pour amortir physiquement son mouvement en cas de forts courants d’appel.

Ces options peuvent s’avérer utiles pour éviter les déclenchements intempestifs dans les circuits à fort courant d’appel. Ces disjoncteurs peuvent également comprendre un commutateur auxiliaire intégré, un relais de déclenchement et des bobines de tension pour les déclencher à distance si nécessaire, à la différence des disjoncteurs thermiques qui nécessitent un demi module polaire supplémentaire.

Chaque type d’équipement a sa place. Mais pour les équipements qui sont expédiés à travers le monde, il est essentiel d’avoir une solution stable du point de vue thermique ; c’est pourquoi les disjoncteurs magnéto-hydrauliques représentent la solution de contrôle de puissance la plus efficace pour les télécommunications, les datacenters et serveurs, le transport ferroviaire, la défense, la marine, la production d'énergie et bien d’autres applications.