Qu'est-ce que l'étalonnage thermique et pourquoi les fabricants de MCB et MCCB en ont-ils besoin ?

Dans une usine de disjoncteurs, le moment qui décide si un MCB fini est sûr ou à jeter est thermal calibration. C’est l’étape où l’élément bimétallique à l’intérieur de chaque disjoncteur est ajusté et vérifié afin que l’appareil déclenche dans la fenêtre temporelle exacte exigée par la norme — ni une seconde trop tôt, ni une seconde trop tard. Les acheteurs appellent souvent cette étape le test de délai, car ce qui est réellement mesuré est combien de temps un disjoncteur met à déclencher à un surcourant donné. Pour les fabricants de MCB, MCCB et RCBO destinés aux marchés nécessitant la conformité IEC, réussir cette étape fait la différence entre un produit qui protège un circuit et un produit qui échoue à un audit. Cet article explique ce qu’est l’étalonnage thermique des MCB en réalité, comment le test de délai se divise en vérification long terme et court terme, pourquoi les courbes B, C et D ont des critères de réussite différents selon la norme IEC 60898-1, et quel équipement exécute ce processus sur une ligne de production moderne.

Par Huang Xiaolei | Benlong Automation

Qu’est-ce que l’étalonnage thermique dans la fabrication des disjoncteurs ?

La technique de déclenchement thermo-magnétique est utilisée par presque tous les disjoncteurs basse tension. Une situation de surcharge est gérée à l’aide d’une lame bimétallique, composée de deux métaux assemblés ayant des coefficients d’expansion thermique différents. Ainsi, lorsque le courant dépasse les limites spécifiées, la lame chauffe et se courbe vers le métal qui se dilate moins rapidement. Une flexion suffisante provoque le relâchement du verrou de déclenchement. Après une surcharge, plus le courant est élevé, plus le chauffage est rapide, et donc plus le déclenchement est rapide. Cette caractéristique de l’appareil prouve que l’étalonnage thermique est l’ensemble du processus de fabrication des disjoncteurs impliquant l’ajustement de la lame bimétallique, qui sera soit pliée, auquel cas la vis sera ajustée, soit le mécanisme de déclenchement déplacé pour garantir que le temps de déclenchement se situe dans la plage prédéterminée par la norme en vigueur pour chaque courant de test.

Son importance ne peut être sous-estimée, car elle permet de clarifier des termes souvent confondus. L’étalonnage signifie ajuster le mécanisme pour atteindre la fenêtre temporelle ciblée ou vérifier qu’il y parvient. En réalité, les deux processus se déroulent simultanément, l’opérateur injectant le courant et mesurant le temps avant d’ajuster la lame pour une nouvelle vérification de l’unité, car un fait important à retenir est que les propriétés mécaniques et matérielles diffèrent pour chaque bimétal, ce qui rend nécessaire un étalonnage individuel dès le départ. Un appareil défectueux qui ne respecte pas les exigences d’étalonnage peut déclencher en mode normal de fonctionnement ou, pire encore, rester bloqué lors d’une surcharge.

Ainsi, deux caractéristiques sont prises en compte dans le processus — la précision et la répétabilité de la sortie. Un détail important est que s'il y a des problèmes avec l'équipement, les opérateurs pourront vérifier le déclenchement à partir du démarrage à froid. La plage de réglages est assez stricte, généralement de plusieurs pourcents au courant de déclenchement, ce qui signifie que la plage d'erreurs pour le banc doit être beaucoup plus petite que celle pour l'appareil de calibration. Cela explique la nécessité d'un équipement de calibration fiable pour assurer le fonctionnement efficace de l'appareil.

Les deux fonctions de déclenchement derrière chaque test de délai

Pour comprendre pourquoi le test de délai est divisé en deux segments, il faut comprendre qu'il y a deux fonctions de protection indépendantes dans le disjoncteur. La protection thermique, ou protection contre les surcharges, provient de la bande bimétallique, qui réagit lentement, de quelques secondes à plusieurs heures, formant ainsi la partie longue durée de la courbe de déclenchement. C'est celle qui est réglée par la caractéristique thermique. La protection magnétique ou protection contre les courts-circuits provient de l'électroaimant ou solénoïde, qui répond en millisecondes au courant de défaut élevé, formant ainsi la partie courte durée ou instantanée de la courbe.

Si l'on regarde le graphique temps-courant en échelle log-log publié par chaque fabricant, on voit que la zone thermique correspond à la partie supérieure inclinée de la courbe tandis que la zone magnétique correspond à la partie inférieure presque verticale. En pratique de fabrication, ces deux caractéristiques sont testées avec des courants différents, des tolérances de temps différentes et parfois sur des bancs d'essai différents. C'est de là que vient la séparation entre délai long et délai court : la caractéristique à délai long teste le bimétal thermique, et celle à délai court ou instantanée teste la bobine magnétique. Il est donc extrêmement important de garder ces deux types séparés.

Test à délai long : le cœur de la calibration thermique

Le test à délai long est le cœur de la calibration thermique du disjoncteur. Il confirme l'activation du bimétal au bon moment sous des courants de surcharge désignés. Conformément à la norme IEC 60898-1, tous les tests doivent être effectués dans des conditions de température ambiante de +30 °C et à partir du point de départ à froid ; les caractéristiques de courant sont indiquées pour les trois points de surcharge, qui restent les mêmes pour toutes les courbes B, C et D.

La paire 1,13 × et 1,45 × établit les limites de performance acceptable en surcharge du disjoncteur ; tandis que le disjoncteur doit supporter une surcharge légèrement supérieure à 13% sans déclenchement intempestif, il doit pouvoir déconnecter même une surcharge de 45% de manière conventionnelle. Ces facteurs définissent la position de la courbe thermique sur le graphique. La seule raison pour laquelle le temps traditionnel passe d'une heure à deux heures après 63 A est que les disjoncteurs plus grands, qui ont des contacts plus larges, possèdent une capacité thermique beaucoup plus importante et mettent plus de temps à devenir stables.

En ce qui concerne la production, le point 2,55 × In est pratiquement utilisé pour calibrer le disjoncteur car il permet de mesurer le temps de déconnexion en secondes contrairement à l'heure obtenue avec les mesures traditionnelles. Ainsi, une quantité spécifique de courant peut être passée à travers le disjoncteur tout en mesurant le temps de déclenchement afin d'ajuster ce temps à l'aide du servo ou de l'opérateur. Les mesures plus longues effectuées au moyen des points 1,13 × et 1,45 × confirment les résultats obtenus ci-dessus.

Benlong construit des équipements précisément pour cette étape. Banc d'étalonnage thermique longue durée MCB effectue des tests de surcharge selon la norme IEC 60898-1 sur plusieurs stations avec une source de courant à haute stabilité, tandis que le banc de calibration semi-automatique de déclenchement thermique Type-A et son homologue à cartes Type-B gèrent la calibration programmable des surcharges avec un changement rapide entre les familles de disjoncteurs MCB. Pour les disjoncteurs MCCB régis par la norme IEC 60947-2, les points de référence changent — le courant conventionnel sans déclenchement devient 1,05 × In et le courant conventionnel de déclenchement 1,3 × In — mais le principe de calibration reste inchangé.

Tests à délai court et instantanés : où B, C et D diffèrent

La seconde partie du test de délai évalue l'élément magnétique ou la réponse en court-circuit. C’est ce que les clients appellent fréquemment délai court ou test de délai, et où les courbes B, C et D commencent à se comporter différemment. Le niveau auquel le déclenchement magnétique se produit est défini par la quantité de courant nominal nécessaire pour déclencher le disjoncteur selon la convention instantanée de 0,1 seconde. Un multiple inférieur correspondant au type de courbe indique le courant auquel le disjoncteur doit encore rester en service, et un multiple supérieur implique où le disjoncteur doit déclencher.

Le test se déroule en deux phases par type de courbe. D'abord, un test de maintien confirme que le disjoncteur ne déclenche pas en moins de 0,1 s au multiple inférieur — 3 × In pour B, 5 × In pour C, 10 × In pour D. Ensuite, un test de déclenchement confirme qu'il déclenche en moins de 0,1 s au multiple supérieur — respectivement 5, 10 et 20 × In. Prenons un disjoncteur de type C 16 A : il doit supporter 80 A (5 ×) sans déclenchement instantané, mais doit s'ouvrir presque immédiatement à 160 A (10 ×). Le même disjoncteur 16 A en type B déclencherait instantanément à 80 A, et en type D tolérerait jusqu'à 320 A avant que l'aimant n'agisse. Cette plage est précisément la raison pour laquelle la sélection de la courbe gouverne la tolérance à l'appel de courant et la coordination en aval : une courbe D supporte la surtension momentanée d'un moteur ou d'un transformateur qui déclencherait de manière intempestive une courbe B.

Un point mérite d'être souligné pour toute personne rédigeant une spécification de test. Les critères de réussite qui changent entre B, C et D appartiennent au déclenchement magnétique (instantané), pas au déclenchement thermique de surcharge.. Le côté bimétallique, la véritable calibration thermique, est le même pour les trois courbes. Et dans un disjoncteur miniature (MCB), cette réponse au court-circuit est instantanée plutôt que réellement retardée ; l'expression délai court est utilisée de manière approximative en atelier. Une véritable bande de délai court intentionnel n'apparaît que dans les disjoncteurs moulés (MCCB) avec unités de déclenchement réglables, abordées ensuite. Pour la vérification magnétique des MCB et des MCCB à petit cadre, Benlong Banc d'essai de déclenchement magnétique manuel MCCB est conçu spécialement, avec une source de courant programmable de 5 à 10 × In et un chronométrage au niveau de la milliseconde pour un jugement clair de réussite/échec.

Norme applicable : IEC 60898-1, 60947-2 et 61009

Les critères de réussite appropriés dépendent de la norme à laquelle le produit est certifié, et une mauvaise application présente un réel danger en termes de risques. Les MCB utilisés dans les applications domestiques et environnements similaires appliquent la norme IEC 60898-1, qui spécifie les classifications B, C, D. La norme IEC 60947-2 régit l'utilisation des MCCB et disjoncteurs industriels, avec ses courants conventionnels (1,05 × et 1,3 × In) et des fonctionnalités plus flexibles. La norme IEC 61009-1 régit l'utilisation des RCBO, ou disjoncteurs différentiels, qui, en plus d'être soumis à des tests de courant résiduel, doivent également passer les mêmes tests que les MCB pour les opérations thermiques et magnétiques. Un même interrupteur peut être certifié selon les deux normes, mais la référence de température peut être organisée différemment selon les normes utilisées.

La température de référence est l'un des facteurs. Selon IEC 60898-1, la calibration est effectuée à 30 °C, tandis que les dispositifs conformes à IEC 60947-2 sont testés à 40 °C. En même temps, un même dispositif peut être testé à d'autres niveaux de température pour chacune des normes mentionnées. La température de référence influencera également le tableau de dérating utilisé par les consommateurs, donc si le disjoncteur a été testé avec une mauvaise référence, il peut échouer après avoir passé les tests standards. Ainsi, fixer la température lors des tests n'est pas seulement une formalité de laboratoire mais aussi une exigence qualité certaine.

Calibration thermique des MCCB et les bandes de délai LSI(G)

Les disjoncteurs moulés ajoutent une couche de complexité. Les MCCB thermo-magnétiques plus petits sont calibrés de manière similaire aux MCB, en ajustant un bimétal pour la bande de surcharge et en vérifiant le solénoïde pour le déclenchement en court-circuit. Mais de nombreux MCCB modernes utilisent des unités de déclenchement électroniques, et ici La calibration thermique des MCCB devient une question de réglage et de vérification des paramètres de protection programmables plutôt que de pliage du métal. Ces unités de déclenchement sont généralement décrites avec le schéma LSI ou LSIG, et chaque lettre correspond à une bande de protection réglable séparément :

• L, délai long : la fonction de surcharge, équivalente à l’élément thermique, avec un courant de déclenchement et un délai temporel réglables qui définissent le comportement de surcharge à temps inverse.
• S, délai court : un véritable délai intentionnel sur des courants de défaut modérés, utilisé pour qu’un disjoncteur en aval puisse d’abord éliminer un défaut et préserver la sélectivité. C’est la vraie bande de délai court que les MCB n’ont tout simplement pas.
• I, instantané : déclenchement immédiat au-dessus d’un seuil élevé sans délai intentionnel, pour les courts-circuits sévères.
• G, défaut de terre : protection optionnelle contre les défauts de terre sur les unités à quatre pôles et de spécification supérieure.

Pour un MCCB électronique, le test de délai vérifie que chaque bande déclenche dans la tolérance à ses réglages programmés, en injectant le courant aux seuils L, S et I à tour de rôle et en chronométrant la réponse. Pour un MCCB thermo-magnétique, il vérifie directement le bimétal et le solénoïde, exactement comme pour un MCB mais à des courants plus élevés et des cadres plus grands. Dans les deux cas, l’équipement doit fournir des courants de test beaucoup plus élevés qu’un banc MCB. Le système de Benlong MCCB Laboratory Integrated Testing bench est conçu pour exécuter les tests de déclenchement magnétique, la calibration thermique et la calibration thermique de longue durée en une seule station, ce qui convient à la fois au laboratoire R&D et à la salle d’essais type.

Comment la calibration thermique est réalisée sur une ligne de production

Un flux de travail typique de calibration du déclenchement thermique sur une ligne MCB moderne suit une séquence répétable. Un courant de surcharge contrôlé, généralement à 2,55 × In, est appliqué à travers le disjoncteur testé en utilisant une source stabilisée avec une faible distorsion harmonique, car une forme d’onde déformée modifie le chauffage et fausse la lecture. Un chronomètre haute résolution enregistre l’instant exact où le disjoncteur s’ouvre, généralement à une fraction de pour cent près. Si le temps de déclenchement est hors de la fenêtre, le bimétal est plié ou sa vis de réglage ajustée — par un opérateur sur un banc semi-automatique, ou par une tête servo sur une cellule entièrement automatisée. L’unité est ensuite retestée à froid, et le résultat de réussite/échec ainsi que le temps de déclenchement sont enregistrés, souvent exportés par USB ou envoyés à un MES pour une traçabilité complète. Tout au long du processus, parce que la norme référence 30 °C, la température de la zone de test est surveillée et compensée ; calibrer à une mauvaise température ambiante est l’une des causes les plus courantes d’erreurs de temps de déclenchement sur le terrain.

Automatiser cette séquence rapporte de trois manières : cohérence, car un servo ajuste de manière plus répétable qu’une main ; rapidité, car des stations parallèles absorbent les longs tests conventionnels ; et traçabilité, car les données de chaque unité sont capturées plutôt que vérifiées ponctuellement. Les produits de spécification supérieure sont souvent calibrés sur 100% d’unités, tandis que les MCB de commodité peuvent suivre un plan d’échantillonnage défini. La qualité en amont est également importante — l’assemblage bimétallique doit être construit de manière cohérente avant de pouvoir être calibré, c’est pourquoi Benlong fournit aussi le Ligne de soudage automatique à déclenchement thermique MCB pour produire le sous-ensemble de déclenchement thermique avec une qualité de soudure répétable. Des composants cohérents entrant dans la calibration signifient moins d’unités dérivant hors de la fenêtre et moins de retouches en aval.

La source de courant elle-même est le héros discret de toute la phase. Parce que le bimétal réagit au chauffage, le temps de déclenchement dépend du courant RMS réel et de la qualité de sa forme d’onde, pas seulement d’un point de consigne nominal. Une source qui s’effondre sous charge, dérive lorsque ses propres composants chauffent, ou porte une distorsion harmonique significative chauffera la bande différemment de la sinusoïde propre que la norme suppose, et chaque unité calibrée contre elle hérite de cette erreur. C’est pourquoi une source de courant stable en boucle fermée avec une faible distorsion harmonique totale, combinée à des contacts de test solides à faible résistance, fait plus pour le rendement que presque tout autre facteur unique sur le banc.

Pourquoi les disjoncteurs échouent au contrôle qualité du test de délai

Même s’il est bien conçu, un disjoncteur peut toujours produire des rejets si son processus de fabrication a dérivé. Les raisons les plus courantes pour qu’un disjoncteur ne réussisse pas son test de délai incluent une température ambiante élevée déviant de la température de référence de 30 °C, ce qui décale la bande thermique globale vers la gauche ou la droite ; un courant instable, qui modifie la quantité de chaleur fournie au bimétal ; une résistance incorrecte aux bornes, qui crée une chaleur supplémentaire ; un temps de stabilisation insuffisant entre les tests, de sorte que le bimétal peut conserver une chaleur résiduelle ; une mauvaise carte de courbe ou un programme appliqué ; et une dérive mécanique après calibration, qui cause une grande dispersion entre les tests successifs. La plupart de ces problèmes proviennent de problèmes de contrôle et peuvent être éliminés si le banc de production dispose d’une alimentation en courant stable, d’une excellente compensation de température et d’un système automatique d’enregistrement des données.

Le test de délai n’est qu’un pilier du contrôle qualité des disjoncteurs. Il s’ajoute à la vérification diélectrique et d’isolation — si vous élaborez un plan de test complet, notre explication sur le test hi-pot couvre le côté tenue en tension qui s’exécute en parallèle avec les contrôles thermique et magnétique.

Choisir l’équipement de calibration thermique et de test de délai

Adapter le banc au produit est important. Une seule famille de disjoncteurs modulaires (MCB) à volume modeste est bien servie par un banc de calibration semi-automatique ; une usine produisant de nombreux modèles bénéficie d’un changement basé sur carte afin qu’une ligne puisse changer de famille en quelques minutes ; et un atelier MCCB ou ACB nécessite des bancs à courant plus élevé et à cadre plus grand avec une plage capable d’atteindre les multiples requis. La gamme complète de ces systèmes de Benlong se trouve sous le Projet de banc d'essai catalogue, qui couvre les bancs de calibration thermique MCB, les bancs de déclenchement magnétique MCCB, les testeurs de laboratoire intégrés et les stations de test ACB complètes. Parce que le mix de modèles, le débit cible et le temps de cycle diffèrent pour chaque usine, ces bancs sont généralement configurés selon le produit du client plutôt que vendus comme unités fixes du catalogue.

Conclusion

La calibration thermique est l’étape où un disjoncteur obtient sa classification. Le test de délai qui la vérifie se divise clairement en une partie à long délai, qui règle et contrôle le bimétal thermique selon les points de surcharge IEC 60898-1, et une partie à court délai ou instantanée, qui contrôle le déclenchement magnétique — et c’est le côté magnétique qui donne aux courbes B, C et D leurs différents critères de passage. Obtenez correctement l’ambiance, la forme d’onde du courant et le timing, calibrez chaque bimétal individuellement, enregistrez les résultats, et le résultat est un disjoncteur qui déclenche exactement quand il doit et tient quand il doit. Pour les fabricants qui industrialisent ce processus, la bonne combinaison de bancs de calibration et de test de délai transforme une tâche lente et dépendante de l’opérateur en une étape de production répétable et traçable.