- autre - Comment limiter le courant de démarrage

[electroremy]

Bonjour,

Je vais expliquer dans ce post comment limiter le courant de démarrage d'un appareil branché sur le secteur 230V 50Hz

Cela peut être utile pour l'impression 3D si vous avez des soucis lorsque le banc ou le chauffage de l'enceinte se met en route, et par exemple que cela fait disjoncteur l'onduleur qui alimente l'imprimante.

J'ai été confronté à ce problème lorsque j'ai voulu utiliser un gros VARIAC (transformateur variable) dans mon labo d'électronique

Horreur : à la mise sous tension dans mon labo, deux fois sur trois ça disjoncte dans mon tableau électrique.
Vite, je débranche tout et sors mes instruments de mesure pour vérifier mon câblage et les enroulements. Les mesures d’isolement sont très bonnes, aucun court-circuit…

Je me suis alors souvenu qu’un transformateur de cette puissance pouvait avoir un courant de démarrage non négligeable… J’ai décidé de le mesurer, en prenant les précautions nécessaires (oscilloscope alimenté depuis un transformateur d’isolement, shunt de mesure de courant côté neutre)

Attention aux mesures sur secteur, il faut savoir ce que vous faites et porter les EPI requis

 

La mesure parle d’elle-même :

Une pointe à 40V dans un shunt de 0,18 Ohm : le pic de courant à l’allumage est de plus de 220 ampères !
Il faut remarque que la pointe de courant n’a pas toujours la même valeur. Tout dépend du moment où on raccorde le transformateur… En effet, à la mise sous tension d’un transformateur, la surintensité transitoire d’enclenchement est due à la magnétisation du circuit magnétique. L’asymétrie et la valeur crête du courant sont maximales lorsque l’enclenchement est effectué au passage à zéro de la tension et lorsque l’induction rémanente atteint sa valeur la plus élevée.
Comment faire pour limiter ce courant ?
Des varistances CTN, composants dont la résistance chute lorsque la température augmente, sont couramment utilisées. À température ambiante, ces composants ont une valeur de résistance relativement élevée, par exemple 5 Ohms.
Mon variac à l’allumage se comporte comme une résistance d’environ 1 Ohm (220 Ampères pour 230V). Si je mets en série une CTN avec l’alimentation du variac, au démarrage le courant sera de 230V / (1 Ohm + 5 Ohm) = 38 ampères. Cette valeur est bien plus faible que 220 ampères, et elle est parfaitement tolérée par un disjoncteur 16A si elle ne dure pas trop longtemps bien sûr.
La mesure le prouve (attention l’échelle n’est plus la même, 2V par div au lieu de 10V par div) :

La mesure montre un courant de démarrage d’environ 40 A.
Mais ensuite, cette résistance de 5 Ohms ne va-t-elle pas perturber l’alimentation en occasionnant une chute de tension importante ? 10 ampères dans 5 Ohms occasionnent 50V de chute de tension… impensable !
C’est vrai, mais pendant un temps assez bref, car la CTN va chauffer. En chauffant, sa résistance va rapidement diminuer. Si la résistance diminue, la chute de tension aussi, et la CTN arrête de chauffer. Ainsi, au bout de quelques secondes, la température de la CTN va se stabiliser.
Plus je consomme de courant, plus la température d’équilibre de CTN sera élevée, plus sa résistance sera faible, et la chute de tension restera faible. La CTN fonctionne alors comme un régulateur.
Attention les CTN peuvent être très chaudes ; celles que j’ai achetées montent à 200 °C lorsqu’elles sont parcourues par leur courant nominal maximum. Le circuit imprimé et le coffret doivent être conçus en conséquence.

Le problème est-il résolu ?

Pas tout à fait… que se passe-t-il si j’éteins et si je rallume le variac ?
Il faut que la CTN puisse avoir le temps de refroidir pour qu’elle puisse limiter à nouveau le courant de démarrage. Et une CTN peut mettre 2 minutes voire plus avant de se refroidir…
En cas de microcoupure secteur, c’est la catastrophe.

Il faudrait trouver un autre système.

L’idée est de shunter la CTN après le démarrage pour qu’elle se refroidisse et soit prête à un nouveau démarrage.
Mais comment faire ? Il faut une temporisation à la fermeture, mais pas à l’ouverture. Bref, il faut créer un circuit de mise sous tension, alors que je voudrais un dispositif le plus simple possible. Après quelques réflexions, voici à quoi je suis arrivé :

 

Un contacteur shunte la CTN automatiquement après la mise en route.
Un contacteur ne se déclenche que lorsque la tension aux bornes de sa bibine atteint au moins 60 % de la valeur nominale. Et il faut ajouter un temps de réaction de quelques millisecondes.
Comme la bobine du contacteur est en parallèle avec le variac, le contacteur ne va se fermer que lorsque la tension aux bornes du variac sera assez importante ; autrement dit, lorsque la chute de tension dans la CTN sera faible, ce qui se produit à la fin du pic de surintensité. Le temps de réaction du contacteur est un avantage.
Ainsi, le contacteur ne se ferme que lorsque la surintensité est terminée.
La CTN n’a pas le temps de chauffer et elle est prête pour un nouvel allumage.
En cas de coupure de l’alimentation, même brève, le contacteur s’ouvre.
On pourrait même remplacer la CTN par une simple résistance de puissance.
Cependant, la CTN offre un avantage : en cas de défaillance du contacteur, elle ne surchauffera pas contrairement à la résistance.
Attention : ce circuit ne limitera pas la surtension si on coupe et si on rallume le variac à l’aide de son interrupteur intégré. Il faut installer l’interrupteur marche / arrêt en amont, côté alimentation.
 

Je me suis donc lancé dans la fabrication d’un boitier de démarrage pour mon variac. Ce boitier de démarrage étant indépendant il pourra servir à l’occasion pour autre chose, par exemple un gros moteur.

 

J’ai utilisé deux CTN de 5 Ohms en série ; le courant de démarrage est limité à environ 25 A.
Attention les CTN doivent être choisies en fonction de l’énergie qu’elles peuvent absorber en joules ; les sites internet des fabricants donnent des abaques de calcul en fonction de l’application (moteur, alimentation, transformateur…)
J’ai ajouté à mon boitier de démarrage quelques fonctions utiles :
-    un interrupteur sectionneur, qui coupe la phase et le neutre ; en effet mon variac est un autotransformateur variable donc son primaire et son secondaire ne sont pas isolées galvaniquement ;
-    un voyant sous tension ;
-    un voyant témoignant de la fermeture du contacteur ;
-    un interrupteur en série avec la bobine du contacteur, qui permet de ne pas shunter les CTN, ça peut être utile dans certains cas.
Voici une photo du fameux démarreur :
 

Note : j'ai bien utilisé un interrupteur sectionneur, un sectionneur ne pouvant pas commuter en charge.

Ca reste un prototype 

Le câble d’alimentation et les fils véhiculant la puissance ont une section de 2,5 mm². Le câble d’alimentation est assez long ce qui permet d’éviter d’utiliser une rallonge ; en effet les rallonges du commerce sont souvent de faible section (1,5 mm² ou 1 mm²).
Les fils placés dans les mêmes bornes ont été soudés ensemble. Les fils souples ont été étamés aux extrémités.
Les CTN sont maintenues en l’air, car elles peuvent chauffer beaucoup si la fonction shunt n’est pas activée ; la face arrière du coffret comporte deux rangées de trous d’aération.
Voici une photo de mon démarreur et du variac :

Voici une mesure faite avec mon démarreur. On voit une pointe à 4,8V dans un shunt de 0,18 Ohm : le pic de courant à l’allumage est de 26,7 A :

Sur cette autre mesure on peut voir clairement les rebonds liés à la fermeture de l’interrupteur/sectionneur et les rebonds liés à la fermeture du contacteur :

Remarque : ce principe de limitation de courant peut s'appliquer aussi aux appareils alimentés en courant continu ; bien sûr il faudra adapter la valeur des CTN.

A bientôt !

Modifié (le) Janvier 15, 2024 par electroremy