La protection contre les défauts est cruciale pour tout système électrique. Cet article examine divers dispositifs de protection en mettant en lumière leurs rôles et les meilleurs cas d’utilisation pour garantir l’intégrité et la longévité du système.
Les conditions de surintensité causées par des courts-circuits, des surtensions et d’autres anomalies peuvent endommager des composants sensibles, entraînant des réparations coûteuses et des temps d’arrêt. L’absence de dispositifs de protection adéquats augmente le risque de prolonger cette surintensité pendant une longue durée, menant presque certainement à des défaillances catastrophiques du système : incendies, pannes des dispositifs de contrôle et blessures des opérateurs. Divers dispositifs de protection sont utilisés pour atténuer ces risques, chacun ayant des caractéristiques et des applications uniques qui les rendent adaptés à l’installation dans différentes conditions.
Cet article se penche sur les différentes méthodes de protection des équipements électroniques et électriques contre les dommages, y compris les fusibles traditionnels, les fusibles électroniques réarmables innovants, les disjoncteurs, les varistances à oxyde métallique (MOV), les parafoudres, les filtres de ligne et les réacteurs de ligne.
Il est crucial de comprendre les rôles distincts et les cas d’utilisation optimaux de ces dispositifs pour assurer la fiabilité des systèmes électriques modernes.
Figure 1. Un dessin électrique présente certains des composants discutés dans l’article, à savoir les disjoncteurs manuels et de surcharge. Image utilisée avec l’aimable autorisation de l’auteur
Les Fusibles
Les fusibles traditionnels sont peut-être les dispositifs de protection contre les surintensités les plus fondamentaux et les plus largement utilisés. Ils fonctionnent en faisant fondre un fil métallique à l’intérieur lorsqu’un courant excessif passe, rompant le circuit et empêchant le flux de courant. Ils sont utilisés dans les appareils électroniques grand public, les circuits automobiles, les équipements industriels et les installations résidentielles.
Le faible coût et la simplicité des fusibles traditionnels comptent parmi leurs principaux avantages. Ils n’ont aucune pièce mobile, ce qui les rend faciles à installer. Cependant, les fusibles sont des dispositifs à usage unique qui doivent être remplacés après chaque coupure, ce qui peut générer des problèmes de maintenance et des temps d’arrêt. Ce remplacement fréquent peut être irritant, surtout dans les zones difficiles d’accès ou les systèmes critiques nécessitant un fonctionnement continu.
Fusibles Réarmables
Pour ceux qui aiment les avantages des fusibles mais n’aiment pas l’idée d’un usage unique, il existe également un composant électrique appelé le fusible réarmable PPTC (fusible à coefficient de température positif en polymère).
Lorsque le courant excessif passe par le PPTC, des températures élevées font passer le polymère de cristallin à amorphe, et cette expansion rompt le chemin le plus conducteur, augmentant la résistance du dispositif. Cette résistance accrue limite le flux de courant et protège le dispositif. La différence avec le fusible PPTC est qu’une fois le défaut éliminé (ou l’alimentation coupée), le polymère refroidit, et le PPTC revient progressivement à son état d’origine.
Disjoncteurs
Un disjoncteur est un dispositif de protection commutable qui protège les systèmes d’alimentation électrique en interrompant le flux d’électricité dans des conditions magnétiques ou thermiques. À la détection de défauts, il utilise un mécanisme qui désengage deux contacts normalement fermés.
Les disjoncteurs sont préférés aux fusibles dans les situations où une restauration rapide est cruciale. Cette préférence est due à leur capacité à être facilement réarmés et réutilisés plusieurs fois, ce qui réduit le besoin de maintenance fréquente. Leur installation est dictée par divers codes et directives électriques nationaux et locaux. Les disjoncteurs sont appliqués à différents scénarios, y compris les moteurs avec des facteurs de charge variés, de sorte qu’il existe différentes courbes disponibles pour déterminer le courant de déclenchement et la vitesse.
Figure 2. Cette armoire électrique présente également certains des composants discutés dans l’article. Image utilisée avec l’aimable autorisation de l’auteur
Varistances à Oxyde Métallique
Un MOV, ou varistance à oxyde métallique, est un petit composant électrique qui protège les dispositifs contre les pics soudains de tension. À l’intérieur du MOV se trouvent de nombreuses petites jonctions semblables à des diodes entre les grains d’oxyde de zinc. Une diode limite l’électricité à ne circuler que dans une seule direction. Lorsque la tension fonctionne à une capacité normale, le MOV a une résistance élevée, ne laissant pas passer trop de courant et n’affectant donc pas beaucoup le circuit. En situation de haute tension, la résistance du MOV chute considérablement. Cela permet au courant de se précipiter à travers le MOV au lieu d’endommager les dispositifs connectés. Ainsi, la résistance d’un MOV dépend de la tension appliquée.
Un inconvénient du MOV est qu’il s’use en absorbant fréquemment des pics de haute tension, nécessitant un remplacement occasionnel. Il dissipe l’énergie absorbée sous forme de chaleur, provoquant une détérioration.
Figure 3. Une variété de packages de dispositifs MOV. Image utilisée avec l’aimable autorisation de JAK Electronics
Les varistances à oxyde métallique sont mieux utilisées pour se protéger contre les pics de tension courts et élevés. Les fusibles et les disjoncteurs conviennent mieux pour se protéger contre les situations de surintensité. Les MOV sont fréquemment utilisés en parallèle avec des fusibles pour protéger complètement les circuits.
Parafoudres
Les parafoudres sont utilisés dans les circuits électriques pour protéger les équipements contre les surtensions qui provoquent une tension excessive. Ils y parviennent en utilisant soit des MOV, soit des parafoudres à décharge de gaz (GDR). Ces composants fonctionnent en limitant la tension par leur capacité à devenir plus ou moins conducteurs ou en détournant l’excès de tension vers la terre.
Il est conseillé de coupler un parafoudre avec un fusible ou un disjoncteur pour une protection optimale dans un circuit électrique typique. Alors que les fusibles et les disjoncteurs protègent contre les situations de surintensité, les parafoudres protègent spécifiquement contre les événements de surtension. Ensemble, ils offrent une protection complète pour vos dispositifs électriques.
Interférences EMI
Le bruit électrique, ou interférence électromagnétique (EMI), est une autre condition qui peut entraîner une surintensité et des dommages dans les circuits. Ce problème affecte le plus souvent les communications numériques et analogiques, mais certaines harmoniques peuvent entraîner une augmentation du courant, une dissipation de chaleur et, finalement, une défaillance des dispositifs.
Filtres de Ligne
Si vous avez une télévision et d’autres appareils électroniques chez vous, ils peuvent produire du « bruit électrique » qui interfère avec les signaux et le bon fonctionnement de votre TV et d’autres équipements. Ce bruit est similaire aux parasites ou aux interférences, rendant difficile l’écoute de votre chanson préférée à la radio. Les filtres de ligne (filtres EMI) sont couramment utilisés pour combattre ce problème. Le filtre EMI est une barrière unique qui bloque le bruit indésirable d’entrer dans vos dispositifs et empêche le bruit généré par vos dispositifs de causer d’autres problèmes.
Les appareils électroniques modernes, tels que les alimentations, les onduleurs et les redresseurs, utilisent souvent des techniques de commutation à haute fréquence pour convertir l’alimentation de manière efficace. Cependant, ces actions de commutation rapide peuvent créer du bruit, un type d’interférence électrique. Un filtre EMI utilise une combinaison de bobines et de condensateurs pour bloquer ou réduire les signaux haute fréquence indésirables, permettant uniquement aux fréquences désirées de passer. Cela aide dans les deux sens : il empêche le bruit généré par vos dispositifs de se propager dans le réseau électrique et arrête tout bruit existant sur le réseau électrique d’entrer dans vos dispositifs.
Figure 4. Un exemple de dispositif de réacteur de ligne. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Wolf Automation
Réacteurs de Ligne
Un réacteur de ligne est un dispositif qui limite l’augmentation du courant, réduit les pics et les surtensions et minimise le bruit électrique. Les réacteurs de ligne se trouvent couramment dans les variateurs de fréquence (VFD).
Lorsque le courant électrique passe à travers un réacteur de ligne, il génère un champ magnétique qui résiste aux changements de courant. Une bobine de fil crée le champ magnétique. Cette résistance aide à lisser les fluctuations et à réduire le bruit, rendant l’alimentation plus stable. L’utilisation à la fois d’un réacteur de ligne et d’un filtre de ligne peut être bénéfique.
Un réacteur de ligne et un filtre de ligne peuvent améliorer la protection en abordant un plus large éventail de problèmes électriques, tels que lisser les pics de courant et bloquer le bruit haute fréquence.
Protection de courant
La combinaison de dispositifs disponibles pour des défauts massifs et instantanés et des fluctuations de puissance plus progressives et ennuyeuses (mais toujours dangereuses) peut aider à garantir une alimentation plus fluide et plus propre, améliorant les performances et la durée de vie de vos équipements.