Gestion des courants d’appel
Un relais à semi-conducteurs avec commutation à zéro de tension peut être la pire méthode possible pour activer un transformateur ou une charge hautement inductive. Il a été prouvé1 que l’allumage à zéro de tension de telles charges peut provoquer un courant de choc de peut-être 10 à 40 fois le courant à l’état d’équilibre, alors que l’allumage à la tension de crête entraîne peu ou pas de surcharge.
Des courants de choc d’une telle amplitude peuvent sérieusement raccourcir la durée de vie du relais SSR avec commutation à zéro de tension, à moins que le relais SSR n’ait une valeur de courant nominal bien supérieure à la charge. Ils créent des EMI et des RFI (tout au long de la ligne de charge) qui peuvent détruire les portes logiques et provoquer une activation non souhaitée des commutateurs à semi-conducteurs. De plus, ces courants de choc créent des contraintes thermiques et mécaniques sur les enroulements de l’inductance et sur les laminations du noyau du transformateur. Ces contraintes peuvent entraîner une défaillance précoce de l’appareil.
La cause des courants d’appel d’une telle amplitude est la saturation du noyau. Les transformateurs sont conçus pour fonctionner sous l’inflexion de la courbe de saturation du matériau du noyau, c’est-à-dire sous le point A de la figure 1. Cependant, la saturation se produit, et lorsque c’est le cas, l’inductance diminue à une valeur très faible. L’impédance tombe alors à un peu plus que la résistance CC du circuit primaire. (Cela peut être vrai pour toute réactance saturable.)
Lorsqu’une inductance dont le noyau ne contient pas de magnétisme rémanent est initialement excitée à la tension de crête, le taux de variation du courant (di/dt) génère un contre-champ électromagnétique maximal et, comme le montre A de la figure 2, il n’y a pas de surtension de flux. Cependant, si la tension est appliquée à zéro, le contre-champ électromagnétique est minime et un « doublement du flux » se produit, comme le montre B de la figure 2. Ce doublement du flux est le résultat d’une surtension de courant qui peut durer plusieurs demi-cycles.
Le magnétisme rémanent dans le noyau peut aggraver cette condition de surtension. C’est la nature du matériau du noyau de conserver dans une certaine mesure le magnétisme après la suppression de la tension de magnétisation. Si la tension primaire du transformateur est réappliquée à zéro de tension et dans une direction telle que le champ croissant supporte un flux rémanent, il en résulte un flux de 2øm +ør (C de la Fig. 2). Bien entendu, ce flux est entièrement décalé par rapport à zéro, et le noyau est en saturation profonde, comme le montre la courbe d’hystérésis dans F de la figure 2. (D et E sont les courbes d’hystérésis pour les conditions A et B, respectivement.) Le courant d’appel est donc plusieurs fois la normale, comme le montre G de la figure 2, et peut durer plusieurs demi-cycles.
Un transformateur de 150 VA a une résistance CC primaire 120 volts d’environ 1,5 ohm, et un transformateur de 500 VA, une résistance primaire 120 volts d’environ 0,3 ohm. On pourrait penser qu’un relais SSR avec commutation à zéro de tension de 5 ampères serait plus que suffisant pour commuter le courant du transformateur 150 VA. Cependant, pendant la saturation du noyau, le courant d’appel de l’enroulement primaire est de 80 ampères :
I = E sur R = 120 sur 1,5 = 80 ampères.
Dans le cas du transformateur 500 VA, on pourrait penser qu’un relais SSR de 10 ampères pourrait suffire. Mais, pendant la saturation du noyau, le courant primaire est de 400 ampères :
I = E sur R = 120 sur 0,03 = 400 ampères.
Dans de telles conditions, le relais SSR est gravement surchargé et le transformateur surchauffe. (La puissance dispersée dans le circuit primaire pendant cette surcharge de 400 ampères serait d’environ 40 KVA.)
Figure 1.
Figure 2.
Les figures 3 et 4 montrent l’effet sur le courant d’appel du transformateur d'un tour de 90° sur le relais statique SSR. Dans la figure 3A, le secondaire du transformateur est ouvert et le primaire est activé à une tension proche de zéro. Un premier courant d’appel de demi-cycle de 200 ampères se produit (lire l’oscillogramme de droite à gauche). Cependant, lorsque ce même transformateur est activé à la tension de crête (Fig. 3B), le courant d’appel n’est que 17 % supérieur au courant à l’état d’équilibre. C’est-à-dire, le courant d’appel si 7 ampères.
Figure 3. Transformateur 150 VA, circuit secondaire déchargé. Le traçage supérieur est le courant primaire ; le traçage inférieur est la tension primaire (120 Vca). (Lire le traçage de droite à gauche.)
La figure 4 montre l’oscillogramme du même transformateur avec le circuit secondaire connecté à une résistance de 250 ohms. Comme on peut le voir en comparant les Figures 3A et 4A, un circuit secondaire chargé n’a pas d’effet appréciable sur le courant d’appel du circuit primaire.
Les courants de choc tels que ceux illustrés aux figures 3A et 4A peuvent être destructeurs pour un relais SSR avec commutation à zéro de tension.
Figure 4. Transformateur 150 VA, circuit secondaire connecté à travers une résistance de 250 ohms, 240 Vca. Le traçage supérieur est le courant primaire ; le traçage inférieur est la tension primaire (120 Vca).
Un SSR « avec commutation à zéro de tension » ne s’active pas toujours à une tension exactement nulle. Il faut peut-être une milliseconde ou plus pour que les circuits réagissent. Par conséquent, l’interrupteur de charge peut ne pas être complètement actionné avant que la tension de charge n’atteigne peut-être 15 à 20 volts. Dans ce cas, le courant de choc n’est pas aussi important, mais il est toujours potentiellement destructeur. En outre, un relais SSR à activation aléatoire peut, parfois, s’activer à zéro de tension ou à proximité. La meilleure méthode pour activer des transformateurs et d’autres charges saturables hautement inductives consiste à utiliser un dispositif d’activation à tension de crête. L’activation à la tension de crête entraîne une surcharge minimale, si tant est qu’il y en ait une.
Les relais SSR avec commutation à zéro de tension sont d’excellents commutateurs pour les charges capacitives résistives et légèrement inductives. Néanmoins, le courant d’appel doit être pris en considération. C’est-à-dire qu’une lampe à incandescence peut tirer un courant d’appel « filament froid » de 10 à 20 fois le courant « filament chaud » à l’état d’équilibre. Un moteur peut tirer un courant de « rotor verrouillé » de peut-être 6 fois son courant de fonctionnement. Et le courant d’appel d’un condensateur, ou celui d’un circuit dans lequel une capacité parasite importante est présente, est limité uniquement par la résistance CC du circuit.
Références
1. « Alternating Current Machines », Halsted Press, John Wiley & Son, « Inductively Loaded SSRs Control Turn-On to Eliminate First-Cycle Surges », Electronic Design, 15 mars 1979. « Controlling Transformer Inrush Currents », EDN, juillet 1966. « The Great Zero Cross-over Hoax », NARM Proceedings, mai 1974.
Gestion des courants d’appel
Un relais à semi-conducteurs avec commutation à zéro de tension peut être la pire méthode possible pour activer un transformateur ou une charge hautement inductive. Il a été prouvé1 que l’allumage à zéro de tension de telles charges peut provoquer un courant de choc de peut-être 10 à 40 fois le courant à l’état d’équilibre, alors que l’allumage à la tension de crête entraîne peu ou pas de surcharge.
Des courants de choc d’une telle amplitude peuvent sérieusement raccourcir la durée de vie du relais SSR avec commutation à zéro de tension, à moins que le relais SSR n’ait une valeur de courant nominal bien supérieure à la charge. Ils créent des EMI et des RFI (tout au long de la ligne de charge) qui peuvent détruire les portes logiques et provoquer une activation non souhaitée des commutateurs à semi-conducteurs. De plus, ces courants de choc créent des contraintes thermiques et mécaniques sur les enroulements de l’inductance et sur les laminations du noyau du transformateur. Ces contraintes peuvent entraîner une défaillance précoce de l’appareil.
La cause des courants d’appel d’une telle amplitude est la saturation du noyau. Les transformateurs sont conçus pour fonctionner sous l’inflexion de la courbe de saturation du matériau du noyau, c’est-à-dire sous le point A de la figure 1. Cependant, la saturation se produit, et lorsque c’est le cas, l’inductance diminue à une valeur très faible. L’impédance tombe alors à un peu plus que la résistance CC du circuit primaire. (Cela peut être vrai pour toute réactance saturable.)
Lorsqu’une inductance dont le noyau ne contient pas de magnétisme rémanent est initialement excitée à la tension de crête, le taux de variation du courant (di/dt) génère un contre-champ électromagnétique maximal et, comme le montre A de la figure 2, il n’y a pas de surtension de flux. Cependant, si la tension est appliquée à zéro, le contre-champ électromagnétique est minime et un « doublement du flux » se produit, comme le montre B de la figure 2. Ce doublement du flux est le résultat d’une surtension de courant qui peut durer plusieurs demi-cycles.
Le magnétisme rémanent dans le noyau peut aggraver cette condition de surtension. C’est la nature du matériau du noyau de conserver dans une certaine mesure le magnétisme après la suppression de la tension de magnétisation. Si la tension primaire du transformateur est réappliquée à zéro de tension et dans une direction telle que le champ croissant supporte un flux rémanent, il en résulte un flux de 2øm +ør (C de la Fig. 2). Bien entendu, ce flux est entièrement décalé par rapport à zéro, et le noyau est en saturation profonde, comme le montre la courbe d’hystérésis dans F de la figure 2. (D et E sont les courbes d’hystérésis pour les conditions A et B, respectivement.) Le courant d’appel est donc plusieurs fois la normale, comme le montre G de la figure 2, et peut durer plusieurs demi-cycles.
Un transformateur de 150 VA a une résistance CC primaire 120 volts d’environ 1,5 ohm, et un transformateur de 500 VA, une résistance primaire 120 volts d’environ 0,3 ohm. On pourrait penser qu’un relais SSR avec commutation à zéro de tension de 5 ampères serait plus que suffisant pour commuter le courant du transformateur 150 VA. Cependant, pendant la saturation du noyau, le courant d’appel de l’enroulement primaire est de 80 ampères :
I = E sur R = 120 sur 1,5 = 80 ampères.
Dans le cas du transformateur 500 VA, on pourrait penser qu’un relais SSR de 10 ampères pourrait suffire. Mais, pendant la saturation du noyau, le courant primaire est de 400 ampères :
I = E sur R = 120 sur 0,03 = 400 ampères.
Dans de telles conditions, le relais SSR est gravement surchargé et le transformateur surchauffe. (La puissance dispersée dans le circuit primaire pendant cette surcharge de 400 ampères serait d’environ 40 KVA.)
Figure 1.
Figure 2.
Les figures 3 et 4 montrent l’effet sur le courant d’appel du transformateur d'un tour de 90° sur le relais statique SSR. Dans la figure 3A, le secondaire du transformateur est ouvert et le primaire est activé à une tension proche de zéro. Un premier courant d’appel de demi-cycle de 200 ampères se produit (lire l’oscillogramme de droite à gauche). Cependant, lorsque ce même transformateur est activé à la tension de crête (Fig. 3B), le courant d’appel n’est que 17 % supérieur au courant à l’état d’équilibre. C’est-à-dire, le courant d’appel si 7 ampères.
Figure 3. Transformateur 150 VA, circuit secondaire déchargé. Le traçage supérieur est le courant primaire ; le traçage inférieur est la tension primaire (120 Vca). (Lire le traçage de droite à gauche.)
La figure 4 montre l’oscillogramme du même transformateur avec le circuit secondaire connecté à une résistance de 250 ohms. Comme on peut le voir en comparant les Figures 3A et 4A, un circuit secondaire chargé n’a pas d’effet appréciable sur le courant d’appel du circuit primaire.
Les courants de choc tels que ceux illustrés aux figures 3A et 4A peuvent être destructeurs pour un relais SSR avec commutation à zéro de tension.
Figure 4. Transformateur 150 VA, circuit secondaire connecté à travers une résistance de 250 ohms, 240 Vca. Le traçage supérieur est le courant primaire ; le traçage inférieur est la tension primaire (120 Vca).
Un SSR « avec commutation à zéro de tension » ne s’active pas toujours à une tension exactement nulle. Il faut peut-être une milliseconde ou plus pour que les circuits réagissent. Par conséquent, l’interrupteur de charge peut ne pas être complètement actionné avant que la tension de charge n’atteigne peut-être 15 à 20 volts. Dans ce cas, le courant de choc n’est pas aussi important, mais il est toujours potentiellement destructeur. En outre, un relais SSR à activation aléatoire peut, parfois, s’activer à zéro de tension ou à proximité. La meilleure méthode pour activer des transformateurs et d’autres charges saturables hautement inductives consiste à utiliser un dispositif d’activation à tension de crête. L’activation à la tension de crête entraîne une surcharge minimale, si tant est qu’il y en ait une.
Les relais SSR avec commutation à zéro de tension sont d’excellents commutateurs pour les charges capacitives résistives et légèrement inductives. Néanmoins, le courant d’appel doit être pris en considération. C’est-à-dire qu’une lampe à incandescence peut tirer un courant d’appel « filament froid » de 10 à 20 fois le courant « filament chaud » à l’état d’équilibre. Un moteur peut tirer un courant de « rotor verrouillé » de peut-être 6 fois son courant de fonctionnement. Et le courant d’appel d’un condensateur, ou celui d’un circuit dans lequel une capacité parasite importante est présente, est limité uniquement par la résistance CC du circuit.
Références
1. « Alternating Current Machines », Halsted Press, John Wiley & Son, « Inductively Loaded SSRs Control Turn-On to Eliminate First-Cycle Surges », Electronic Design, 15 mars 1979. « Controlling Transformer Inrush Currents », EDN, juillet 1966. « The Great Zero Cross-over Hoax », NARM Proceedings, mai 1974.
