Améliorer les performances de durée de vie
Introduction
(REMARQUE : s’applique uniquement aux bobines CC commutant des charges CA)
Les lampes à incandescence, les charges inductives comme les moteurs et les solénoïdes, les charges capacitives comme les ballasts électroniques et les alimentations électriques à commutation, etc. peuvent présenter des courants de choc initiaux très élevés lors de la mise sous tension. Cela peut représenter jusqu’à 10 fois ou plus le courant à l’état d’équilibre et c’est particulièrement problématique si la fermeture du contact se produit de manière aléatoire près de la crête de l’onde sinusoïdale de la tension. Le soudage des contacts en raison d’un tel courant de choc excessif en est souvent le résultat. Les relais pour de telles applications doivent généralement être surdimensionnés ou spécialement conçus pour gérer le courant d’appel élevé par rapport au courant relativement limité à l’état d’équilibre. Cela entraîne généralement des coûts de contrôle supplémentaires et une utilisation accrue de l’espace.
De même, étant donné que l’arc des contacts en rupture ne s’éteint généralement que lorsque l’onde sinusoïdale à courant élevé est à zéro et inverse la polarité, la synchronisation doit être basée sur l'arrivée à zéro des formes d’onde de la tension à l’enclenchement et du courant à la rupture. Dans le cas de charges avec un facteur de puissance unitaire (charge résistive, lampe, etc.), il n’y a pas de déphasage et la détection de l'arrivée à zéro basée sur la tension peut donc être utilisée pour la synchronisation à l’enclenchement et à la rupture.
Lorsque la synchronisation est correctement mise en œuvre, la capacité maximale du courant de crête peut être augmentée d’environ 8 à 10 fois, la durée de vie de commutation à une charge donnée peut potentiellement être augmentée d’environ 8 à 10 fois et la charge maximale pour une durée de vie de commutation donnée peut également être augmentée jusqu’à 5 fois environ (tant qu’elle ne dépasse pas le courant maximal que le relais est capable de supporter).
Même sur des charges non réactives avec un facteur de puissance unitaire et un faible courant de choc initial, il est possible d’obtenir une amélioration significative des performances en termes de durée de vie de la charge.
REMARQUE : Consultez également les mises en garde concernant la commutation des charges inductives à noyau de fer dans les sections « Synchroniser lors de la fermeture du contact (enclenchement) » et « Considérations spéciales sur l’enclenchement/la rupture pour les charges inductives » ci-dessous.
Commutation de contacts avec synchronisation de phase sur la puissance de la charge
(REMARQUE : s’applique uniquement aux bobines CC commutant des charges CA)
Voir également « Considérations spéciales sur l’enclenchement/la rupture pour les charges inductives » ci-dessous.
Il existe différentes façons d’améliorer les performances des relais lors de la commutation de certains types de charge en utilisant la synchronisation de « l’enclenchement » et de la « rupture » des contacts avec l’onde sinusoïdale de la tension CA et / ou du courant. Cela ne fonctionne que pour les types de bobines CC car il y a des parties de l’onde sinusoïdale CA où l’énergie est insuffisante pour faire fonctionner un relais ou un contacteur à bobine CA.
Lorsque la synchronisation est correctement mise en œuvre, la durée de vie de commutation des contacts et surtout la capacité à gérer des charges d’appel élevées sont nettement augmentées. Il est souvent possible de multiplier par dix la capacité de courant d’appel et la durée de vie de commutation de la charge, en fonction de la mise en œuvre précise et d’autres facteurs dans l’application spécifique.
Certaines de ces techniques et leurs avantages et limites sont discutés ci-dessous :
- Synchroniser à la fermeture du contact (enclenchement) :
Lorsque la fermeture du contact est synchronisée juste avant ou juste après le point à zéro tension de la forme d’onde de la tension, le contact du relais ne produit pas beaucoup de courant ou de tension et on peut donc s’attendre à une durée de vie de contact plus longue, ainsi qu’à une capacité accrue à gérer des charges avec des courants de démarrage élevés (car la tension et le courant montent de zéro après l’onde sinusoïdale, de sorte que le courant de crête maximal est rarement atteint pendant la fermeture et la stabilisation du contact de relais).
Ceci est accompli en entraînant la bobine du relais à un moment (décalage par rapport au zéro de tension ultérieur du temps de réponse du relais) permettant que le contact du relais « s’enclenche » toujours juste avant ou juste après le point zéro (généralement à +/- 1 milliseconde de zéro est acceptable et réalisable).
Étant donné que les temps de réponse des relais varient selon la famille de relais, d’un relais à un autre, d’un lot à un autre ainsi que pendant la durée de vie du relais, il est préférable d’utiliser des micro-contrôleurs qui surveillent le temps de réponse réel du relais et ajuste la durée de décalage pour atteindre très précisément le point zéro de tension via une moyenne mobile ou 8 à 10 opérations. La variation du temps de réponse peut également être minimisée en saturant la bobine à 125 % ou 150 % de la tension nominale (non recommandé si vous commutez le courant nominal maximal). Le temps de rebond doit également être pris en compte dans le calcul de la synchronisation.
Exemple 1. Moteur de ventilateur à inducteur de 1/10 CV sous tension à 0° sur la forme d’onde de la tension. La tension est en haut, le courant est en bas. Notez la très forte surcharge en courant au premier demi-cycle.
Exemple 2. Le même moteur de ventilateur à inducteur de 1/10 CV sous tension à 90° sur la forme d’onde de la tension. La forme d’onde du haut est la tension, la forme d’onde du bas est le courant. Notez qu’il n’y a pas de surcharge excessive en courant au cours du premier demi-cycle. Pour la plupart des charges inductives, le meilleur point d’enclenchement est à environ 75° avant la crête, mais chaque type de charge doit être mesuré pour voir ce qui fonctionne le mieux. La valeur exacte utilisée n’est pas critique, donc tout ce qui se situe entre 70 et 90° est généralement acceptable.
Exemple 3a. Enclenchement d’une lampe à incandescence à zéro.
Pour des performances de contact maximales, la plupart des charges non inductives doivent être mises sous tension très près de zéro. Cela permet de minimiser la surcharge en courant pendant l’intervalle de fermeture et de stabilisation du contact, réduisant ainsi le risque de soudage par points. Ceci est particulièrement critique sur les charges à courant d’appel élevé telles que les lampes à incandescence, les ballasts de lampes électroniques, les alimentations électriques à commutation, etc.
L’exemple 3a montre une lampe à incandescence allumée très près de la tension zéro de sorte que le courant augmente en suivant l’onde sinusoïdale CA. L’exemple 3b montre la même charge allumée à la tension de crête - résultant en un courant d’appel élevé lorsque la tension élevée est appliquée au filament froid de la lampe. De tels courants d’appel élevés augmentent considérablement le risque de soudage par points du contact lorsqu’il se ferme et se stabilise. De même, les courants d’appel élevés sont également courants sur les charges capacitives lorsqu’elles sont commutées près de la tension de crête.
Exemple 3b. Enclenchement d’une lampe à incandescence à la crête.
- Synchronisation à l’ouverture du contact (rupture) :
De même, lorsque l’ouverture du contact est synchronisée pour se produire juste avant (généralement -1/2 / +0 milliseconde est acceptable et réalisable), mais jamais après, l'arrivée à zéro de tension de la forme d’onde du courant, le contact du relais ne « coupe » pas beaucoup de courant ou de tension et l’arc s’éteindra alors juste avant d'atteindre zéro de tension, ce qui réduit considérablement l’érosion et l’usure des contacts. Pour les charges non inductives, où il n’y a pas de différentiel de phase entre la tension et le courant, la rupture à la tension zéro est tout aussi acceptable et simplifie le contrôle.
Voir également « Considérations spéciales sur l’enclenchement/la rupture pour les charges inductives » ci-dessous.
Exemple 4a. Rupture d’une lampe à incandescence à la crête.
Exemple 4b. Rupture d’une lampe à incandescence à zéro.
Évidemment, dans le cas de charges résistives ou incandescentes, la rupture du contact juste avant la tension ou le courant zéro génère moins d’intensité d’arc de rupture et accroît la durée de vie des contacts.
- Voir également « Considérations spéciales sur l’enclenchement/la rupture pour les charges inductives » ci-dessous.
Les charges inductives (en particulier celles avec des noyaux en fer) doivent être traitées différemment car elles tendent à avoir un courant d’appel élevé à l’enclenchement et à générer un arc de contact sévère et des tensions transitoires élevées à la rupture.
Contrairement aux charges non inductives, où l’enclenchement du contact très proche du zéro de tension est souhaitable, les charges inductives (en particulier les inductances à noyau en fer comme les transformateurs et les solénoïdes) ne devraient jamais s’enclencher à zéro de tension. Cela entraînerait la saturation de l’inductance, avec pour conséquence une surtension de courant initiale très élevée. De telles charges inductives offrent de meilleures performances lorsqu’elles sont entraînées à environ 75° sur la forme d’onde de la tension CA. Chaque charge est un peu différente, donc chacune doit être surveillée et ajustée pour obtenir les meilleures performances possible.
Les performances lors de la rupture des charges inductives sont particulièrement améliorées. Cela est dû à une forte réduction de l’érosion par arc du matériau des contacts en raison de l’intensité et de la durée plus faibles de l’arc de rupture. De même, en raison de la très faible quantité d’énergie stockée dans l’inductance de charge au moment de la rupture du contact, les interférences électromagnétiques (EMI) et les transitoires de tension inverse générés sont d’intensité réduite, de sorte que les effets néfastes sur l’électronique sensible sont minimisés. Ceci est accompli en supprimant l’entraînement de la bobine du relais à un moment (décalage par rapport au zéro de tension ultérieur du temps de fonctionnement du relais) permettant que le contact du relais « se coupe » toujours juste avant (mais jamais après) le point zéro (généralement +/- 1/2/ +0 milliseconde est acceptable et réalisable).
Exemple 5a. Enclencher une charge inductive à la TENSION DE CRÊTE - Couper la charge inductive au COURANT ZÉRO. (REMARQUE : la phase du courant est en retard sur la tension.)
Exemple 5b. ENCLENCHER une charge inductive à la TENSION ZÉRO - COUPER une charge inductive au COURANT DE CRÊTE (REMARQUE : la phase du courant est en retard sur la tension.)
Récapitulatif
La synchronisation de l’enclenchement de la rupture du contact avec la tension et le courant de charge peut entraîner une amélioration significative des performances lorsqu’elle est correctement mise en œuvre. Cependant, si la technique est mal mise en œuvre, une dégradation des performances peut également se produire en raison du transfert de matériau ou de l’érosion accélérée des contacts. TE Engineering doit toujours être consulté pour obtenir des conseils de mise en œuvre pour chaque type de relais.
Étant donné que les temps de fonctionnement et de libération des relais varient selon la famille de relais, d’un relais à un autre, d’un lot à un autre et pendant la durée de vie du relais, il est préférable d’utiliser des microcontrôleurs qui surveillent les temps de fonctionnement et de libération réels du relais par rapport à la forme d’onde de la tension (et du courant en cas de rupture de charges inductives) et au temps de décalage ajusté périodiquement. C’est le meilleur moyen d’assurer une commutation précise tout au long de la durée de vie du relais.
Atteindre un enclenchement à +/-1 milliseconde de la tension zéro et une rupture à - 1/2 / +0 milliseconde avant le courant zéro est acceptable et réalisable. Sur les charges non inductives, la synchronisation à la tension nulle à la rupture offre des performances acceptables et simplifie le contrôle.
Il est important de noter que l’effet de la température sur la résistance du fil de la bobine du relais, et donc la tension de fonctionnement et le temps de fonctionnement / libération, doit être compensé. Ce thème est discuté dans les notes d’application « Un entraînement approprié de la bobine est essentiel aux bonnes performances du relais et du contacteur » et « Compensation de tension et température de la bobine ».
Améliorer les performances de durée de vie
Introduction
(REMARQUE : s’applique uniquement aux bobines CC commutant des charges CA)
Les lampes à incandescence, les charges inductives comme les moteurs et les solénoïdes, les charges capacitives comme les ballasts électroniques et les alimentations électriques à commutation, etc. peuvent présenter des courants de choc initiaux très élevés lors de la mise sous tension. Cela peut représenter jusqu’à 10 fois ou plus le courant à l’état d’équilibre et c’est particulièrement problématique si la fermeture du contact se produit de manière aléatoire près de la crête de l’onde sinusoïdale de la tension. Le soudage des contacts en raison d’un tel courant de choc excessif en est souvent le résultat. Les relais pour de telles applications doivent généralement être surdimensionnés ou spécialement conçus pour gérer le courant d’appel élevé par rapport au courant relativement limité à l’état d’équilibre. Cela entraîne généralement des coûts de contrôle supplémentaires et une utilisation accrue de l’espace.
De même, étant donné que l’arc des contacts en rupture ne s’éteint généralement que lorsque l’onde sinusoïdale à courant élevé est à zéro et inverse la polarité, la synchronisation doit être basée sur l'arrivée à zéro des formes d’onde de la tension à l’enclenchement et du courant à la rupture. Dans le cas de charges avec un facteur de puissance unitaire (charge résistive, lampe, etc.), il n’y a pas de déphasage et la détection de l'arrivée à zéro basée sur la tension peut donc être utilisée pour la synchronisation à l’enclenchement et à la rupture.
Lorsque la synchronisation est correctement mise en œuvre, la capacité maximale du courant de crête peut être augmentée d’environ 8 à 10 fois, la durée de vie de commutation à une charge donnée peut potentiellement être augmentée d’environ 8 à 10 fois et la charge maximale pour une durée de vie de commutation donnée peut également être augmentée jusqu’à 5 fois environ (tant qu’elle ne dépasse pas le courant maximal que le relais est capable de supporter).
Même sur des charges non réactives avec un facteur de puissance unitaire et un faible courant de choc initial, il est possible d’obtenir une amélioration significative des performances en termes de durée de vie de la charge.
REMARQUE : Consultez également les mises en garde concernant la commutation des charges inductives à noyau de fer dans les sections « Synchroniser lors de la fermeture du contact (enclenchement) » et « Considérations spéciales sur l’enclenchement/la rupture pour les charges inductives » ci-dessous.
Commutation de contacts avec synchronisation de phase sur la puissance de la charge
(REMARQUE : s’applique uniquement aux bobines CC commutant des charges CA)
Voir également « Considérations spéciales sur l’enclenchement/la rupture pour les charges inductives » ci-dessous.
Il existe différentes façons d’améliorer les performances des relais lors de la commutation de certains types de charge en utilisant la synchronisation de « l’enclenchement » et de la « rupture » des contacts avec l’onde sinusoïdale de la tension CA et / ou du courant. Cela ne fonctionne que pour les types de bobines CC car il y a des parties de l’onde sinusoïdale CA où l’énergie est insuffisante pour faire fonctionner un relais ou un contacteur à bobine CA.
Lorsque la synchronisation est correctement mise en œuvre, la durée de vie de commutation des contacts et surtout la capacité à gérer des charges d’appel élevées sont nettement augmentées. Il est souvent possible de multiplier par dix la capacité de courant d’appel et la durée de vie de commutation de la charge, en fonction de la mise en œuvre précise et d’autres facteurs dans l’application spécifique.
Certaines de ces techniques et leurs avantages et limites sont discutés ci-dessous :
- Synchroniser à la fermeture du contact (enclenchement) :
Lorsque la fermeture du contact est synchronisée juste avant ou juste après le point à zéro tension de la forme d’onde de la tension, le contact du relais ne produit pas beaucoup de courant ou de tension et on peut donc s’attendre à une durée de vie de contact plus longue, ainsi qu’à une capacité accrue à gérer des charges avec des courants de démarrage élevés (car la tension et le courant montent de zéro après l’onde sinusoïdale, de sorte que le courant de crête maximal est rarement atteint pendant la fermeture et la stabilisation du contact de relais).
Ceci est accompli en entraînant la bobine du relais à un moment (décalage par rapport au zéro de tension ultérieur du temps de réponse du relais) permettant que le contact du relais « s’enclenche » toujours juste avant ou juste après le point zéro (généralement à +/- 1 milliseconde de zéro est acceptable et réalisable).
Étant donné que les temps de réponse des relais varient selon la famille de relais, d’un relais à un autre, d’un lot à un autre ainsi que pendant la durée de vie du relais, il est préférable d’utiliser des micro-contrôleurs qui surveillent le temps de réponse réel du relais et ajuste la durée de décalage pour atteindre très précisément le point zéro de tension via une moyenne mobile ou 8 à 10 opérations. La variation du temps de réponse peut également être minimisée en saturant la bobine à 125 % ou 150 % de la tension nominale (non recommandé si vous commutez le courant nominal maximal). Le temps de rebond doit également être pris en compte dans le calcul de la synchronisation.
Exemple 1. Moteur de ventilateur à inducteur de 1/10 CV sous tension à 0° sur la forme d’onde de la tension. La tension est en haut, le courant est en bas. Notez la très forte surcharge en courant au premier demi-cycle.
Exemple 2. Le même moteur de ventilateur à inducteur de 1/10 CV sous tension à 90° sur la forme d’onde de la tension. La forme d’onde du haut est la tension, la forme d’onde du bas est le courant. Notez qu’il n’y a pas de surcharge excessive en courant au cours du premier demi-cycle. Pour la plupart des charges inductives, le meilleur point d’enclenchement est à environ 75° avant la crête, mais chaque type de charge doit être mesuré pour voir ce qui fonctionne le mieux. La valeur exacte utilisée n’est pas critique, donc tout ce qui se situe entre 70 et 90° est généralement acceptable.
Exemple 3a. Enclenchement d’une lampe à incandescence à zéro.
Pour des performances de contact maximales, la plupart des charges non inductives doivent être mises sous tension très près de zéro. Cela permet de minimiser la surcharge en courant pendant l’intervalle de fermeture et de stabilisation du contact, réduisant ainsi le risque de soudage par points. Ceci est particulièrement critique sur les charges à courant d’appel élevé telles que les lampes à incandescence, les ballasts de lampes électroniques, les alimentations électriques à commutation, etc.
L’exemple 3a montre une lampe à incandescence allumée très près de la tension zéro de sorte que le courant augmente en suivant l’onde sinusoïdale CA. L’exemple 3b montre la même charge allumée à la tension de crête - résultant en un courant d’appel élevé lorsque la tension élevée est appliquée au filament froid de la lampe. De tels courants d’appel élevés augmentent considérablement le risque de soudage par points du contact lorsqu’il se ferme et se stabilise. De même, les courants d’appel élevés sont également courants sur les charges capacitives lorsqu’elles sont commutées près de la tension de crête.
Exemple 3b. Enclenchement d’une lampe à incandescence à la crête.
- Synchronisation à l’ouverture du contact (rupture) :
De même, lorsque l’ouverture du contact est synchronisée pour se produire juste avant (généralement -1/2 / +0 milliseconde est acceptable et réalisable), mais jamais après, l'arrivée à zéro de tension de la forme d’onde du courant, le contact du relais ne « coupe » pas beaucoup de courant ou de tension et l’arc s’éteindra alors juste avant d'atteindre zéro de tension, ce qui réduit considérablement l’érosion et l’usure des contacts. Pour les charges non inductives, où il n’y a pas de différentiel de phase entre la tension et le courant, la rupture à la tension zéro est tout aussi acceptable et simplifie le contrôle.
Voir également « Considérations spéciales sur l’enclenchement/la rupture pour les charges inductives » ci-dessous.
Exemple 4a. Rupture d’une lampe à incandescence à la crête.
Exemple 4b. Rupture d’une lampe à incandescence à zéro.
Évidemment, dans le cas de charges résistives ou incandescentes, la rupture du contact juste avant la tension ou le courant zéro génère moins d’intensité d’arc de rupture et accroît la durée de vie des contacts.
- Voir également « Considérations spéciales sur l’enclenchement/la rupture pour les charges inductives » ci-dessous.
Les charges inductives (en particulier celles avec des noyaux en fer) doivent être traitées différemment car elles tendent à avoir un courant d’appel élevé à l’enclenchement et à générer un arc de contact sévère et des tensions transitoires élevées à la rupture.
Contrairement aux charges non inductives, où l’enclenchement du contact très proche du zéro de tension est souhaitable, les charges inductives (en particulier les inductances à noyau en fer comme les transformateurs et les solénoïdes) ne devraient jamais s’enclencher à zéro de tension. Cela entraînerait la saturation de l’inductance, avec pour conséquence une surtension de courant initiale très élevée. De telles charges inductives offrent de meilleures performances lorsqu’elles sont entraînées à environ 75° sur la forme d’onde de la tension CA. Chaque charge est un peu différente, donc chacune doit être surveillée et ajustée pour obtenir les meilleures performances possible.
Les performances lors de la rupture des charges inductives sont particulièrement améliorées. Cela est dû à une forte réduction de l’érosion par arc du matériau des contacts en raison de l’intensité et de la durée plus faibles de l’arc de rupture. De même, en raison de la très faible quantité d’énergie stockée dans l’inductance de charge au moment de la rupture du contact, les interférences électromagnétiques (EMI) et les transitoires de tension inverse générés sont d’intensité réduite, de sorte que les effets néfastes sur l’électronique sensible sont minimisés. Ceci est accompli en supprimant l’entraînement de la bobine du relais à un moment (décalage par rapport au zéro de tension ultérieur du temps de fonctionnement du relais) permettant que le contact du relais « se coupe » toujours juste avant (mais jamais après) le point zéro (généralement +/- 1/2/ +0 milliseconde est acceptable et réalisable).
Exemple 5a. Enclencher une charge inductive à la TENSION DE CRÊTE - Couper la charge inductive au COURANT ZÉRO. (REMARQUE : la phase du courant est en retard sur la tension.)
Exemple 5b. ENCLENCHER une charge inductive à la TENSION ZÉRO - COUPER une charge inductive au COURANT DE CRÊTE (REMARQUE : la phase du courant est en retard sur la tension.)
Récapitulatif
La synchronisation de l’enclenchement de la rupture du contact avec la tension et le courant de charge peut entraîner une amélioration significative des performances lorsqu’elle est correctement mise en œuvre. Cependant, si la technique est mal mise en œuvre, une dégradation des performances peut également se produire en raison du transfert de matériau ou de l’érosion accélérée des contacts. TE Engineering doit toujours être consulté pour obtenir des conseils de mise en œuvre pour chaque type de relais.
Étant donné que les temps de fonctionnement et de libération des relais varient selon la famille de relais, d’un relais à un autre, d’un lot à un autre et pendant la durée de vie du relais, il est préférable d’utiliser des microcontrôleurs qui surveillent les temps de fonctionnement et de libération réels du relais par rapport à la forme d’onde de la tension (et du courant en cas de rupture de charges inductives) et au temps de décalage ajusté périodiquement. C’est le meilleur moyen d’assurer une commutation précise tout au long de la durée de vie du relais.
Atteindre un enclenchement à +/-1 milliseconde de la tension zéro et une rupture à - 1/2 / +0 milliseconde avant le courant zéro est acceptable et réalisable. Sur les charges non inductives, la synchronisation à la tension nulle à la rupture offre des performances acceptables et simplifie le contrôle.
Il est important de noter que l’effet de la température sur la résistance du fil de la bobine du relais, et donc la tension de fonctionnement et le temps de fonctionnement / libération, doit être compensé. Ce thème est discuté dans les notes d’application « Un entraînement approprié de la bobine est essentiel aux bonnes performances du relais et du contacteur » et « Compensation de tension et température de la bobine ».
