Charges résistives AC-1

Comment choisir le bon mode de commande de votre relais statique ?

Fours industriels, étuves, machines de thermoformage, équipements de cuisson, extrusion, injection plastique, séchage… La maîtrise de la température est au cœur de nombreux procédés industriels.

Mais obtenir une température précise et stable ne dépend pas uniquement de la puissance de l’élément chauffant. Le choix du mode de commande est tout aussi déterminant. Il influence la précision de la régulation, la gestion de la puissance, les perturbations électriques générées et la fiabilité de l’installation.

Grâce à leur rapidité de commutation et à l’absence de pièces mécaniques en mouvement, les relais statiques (SSR – Solid State Relays) sont particulièrement adaptés à ces applications. Encore faut-il choisir la technologie de commutation et le mode de pilotage adaptés à la charge.

1- Avant de choisir son SSR, bien connaître sa charge chauffante

Toutes les charges chauffantes n’ont pas le même comportement électrique.

Une résistance chauffante conventionnelle présente généralement un comportement relativement stable en fonctionnement. Elle constitue l’un des cas d’utilisation les plus courants pour un relais statique.

D’autres éléments chauffants présentent en revanche une résistance à froid nettement inférieure à leur résistance en régime établi. À la mise sous tension, ils peuvent alors générer un courant d’appel important. Cette caractéristique doit impérativement être prise en compte dans le choix et le dimensionnement du SSR. C’est notamment le cas de certaines lampes, charges infrarouges ou technologies de chauffage spécifiques.

Une charge chauffante n’est donc pas nécessairement une simple résistance. Connaître son comportement à froid, à chaud et pendant les phases transitoires constitue la première étape d’un pilotage fiable.

2- Relais statique synchrone : la solution de référence pour les charges résistives

Dans un relais statique synchrone, ou Zero Cross, la mise en conduction intervient lorsque la tension alternative est proche de zéro.

Cette commutation limite les transitoires électriques et les perturbations électromagnétiques. Elle constitue une solution simple et robuste pour la majorité des charges résistives conventionnelles.

Les relais statiques synchrones celduc® sont ainsi particulièrement adaptés au pilotage des systèmes de chauffage présentant une inertie thermique suffisante et ne nécessitant pas une modulation instantanée de la puissance.

Le relais statique synchrone est très largement utilisé dans les fours, étuves, équipements de cuisson, machines de transformation plastique et de nombreuses autres applications de chauffage industriel.

3- Gradateur train d’ondes syncopé : ajuster la puissance aux besoins du procédé

Pour certaines applications de chauffage, il est nécessaire d’aller au-delà d’une simple commande tout ou rien. Le gradateur train d’ondes syncopé celduc® permet de moduler la puissance moyenne délivrée à la charge en fonction de la commande analogique reçue.

Sur un temps de cycle donné, par exemple 1 ou 2 secondes, la variation de puissance est obtenue par suppression d’alternances entières. Contrairement à un train d’ondes classique, ces suppressions ne sont pas regroupées : elles sont réparties sur l’ensemble du cycle selon une logique spécifique.

Ainsi, pour une commande correspondant à 50 % de la puissance, le gradateur peut par exemple supprimer une alternance sur deux. Cette répartition permet d’obtenir une puissance délivrée plus régulièrement répartie dans le temps, tout en conservant une commutation synchrone.

Le principal intérêt de cette technologie est de moduler finement la puissance en fonction d’une commande analogique tout en limitant les perturbations électriques. Elle est particulièrement adaptée aux charges résistives présentant une faible inertie thermique, pour lesquelles une variation rapide de la puissance délivrée est recherchée. C’est notamment le cas des émetteurs infrarouges courts, tels que les tubes infrarouges, utilisés dans les procédés nécessitant une réponse thermique rapide.

La gamme SO3 celduc® répond à ce type d’applications en associant commande proportionnelle de la puissance et principe de commutation par alternances entières.

4- Commande par angle de phase : pour les charges qui nécessitent un contrôle plus dynamique

Pour les charges nécessitant une réponse rapide aux variations de puissance, la commande par angle de phase offre un niveau de contrôle particulièrement fin.

Son principe est comparable à celui d’un variateur de lumière : au lieu d’appliquer des alternances complètes à la charge, le gradateur supprime une partie de chaque demi-alternance de la tension secteur. La puissance délivrée est ainsi modulée en fonction du signal de commande.

La réponse entre l’entrée de commande et la sortie puissance dépend du modèle de gradateur. Elle peut notamment être linéaire en angle, en U² ou en Urms, afin d’adapter le comportement de la commande aux besoins du procédé.

Cette modulation permet un réglage très fin de la puissance, particulièrement intéressant lorsque la finesse de la régulation de température est déterminante ou lorsque la charge réagit rapidement aux variations de tension.

La commande par angle de phase est ainsi particulièrement adaptée aux charges à faible inertie ou à réponse rapide, comme certains éléments chauffants ou les lampes. Elle peut également répondre aux besoins de certaines charges DC situées derrière un pont redresseur, par exemple des fils chauffants ou des modules à effet Peltier.

Cette précision a néanmoins une contrepartie. La découpe de chaque alternance génère davantage de perturbations électromagnétiques et d’harmoniques qu’une commutation au zéro de tension. L’utilisation d’un filtre adapté est donc recommandée pour limiter ces perturbations.

celduc® propose différentes solutions de gradateurs à angle de phase pour les applications monophasées et triphasées, notamment les gammes SG4, SO4, SIL4/SIM4 ainsi que SGTA–SVTA, permettant d’adapter le pilotage à l’architecture et aux caractéristiques de l’installation.

5- Relais statique synchrone, Gradateur train d’ondes syncopé ou commande par angle de phase : comment choisir ?

Le choix dépend avant tout de la dynamique de la charge et du niveau de contrôle recherché. Pour une charge résistive classique à forte inertie thermique, une commutation Zero Cross est généralement suffisante. Lorsque la charge réagit rapidement, le train d’ondes syncopé permet une modulation plus fine tout en limitant les perturbations. Enfin, l’angle de phase offre le contrôle le plus dynamique de la puissance, au prix de contraintes CEM plus importantes.

6- Le bon mode de commande ne suffit pas : le SSR doit être correctement dimensionné

Selecting a solid state relay based solely on the nominal current stated in its datasheet is a common mistake.

An SSR rated at 50A cannot necessarily switch 50A under all operating conditions.

Sélectionner un relais statique uniquement à partir du courant nominal indiqué sur sa fiche technique est une erreur fréquente.

Un SSR donné pour 50 A ne peut pas nécessairement commuter 50 A dans toutes les conditions d’utilisation.

Le courant réellement admissible dépend de la température ambiante, du système de refroidissement, du montage et des conditions de fonctionnement de l’équipement.

Lorsqu’il conduit, le relais statique génère également des pertes liées à la chute de tension de ses semi-conducteurs de puissance. Ces pertes doivent être évacuées efficacement afin de maintenir la température de jonction dans les limites prévues par le fabricant.

Le choix du dissipateur et son installation sont donc indissociables du dimensionnement du relais.

Enfin, le courant nominal de la charge en régime établi n’est pas toujours suffisant pour sélectionner le SSR. Les courants d’appel doivent également être pris en compte, en particulier avec les éléments chauffants dont la résistance varie fortement avec la température.

Pour plus d’information, visionnez notre vidéo « Comment installer un relais statique de manière optimale ? »

7- Penser à la fiabilité de l’ensemble de la chaîne thermique

7. Penser à la fiabilité de l’ensemble de la chaîne thermique

La durée de vie d’un relais statique dépend autant de sa conception que de ses conditions d’utilisation.

Charge → SSR → Dissipateur → Armoire → Environnement

Un SSR correctement dimensionné mais installé sur un dissipateur insuffisant ou dans une armoire dont la température est trop élevée ne pourra pas fonctionner dans des conditions optimales.

La qualité du montage thermique, le respect des couples de serrage, les protections électriques ou encore la circulation de l’air dans l’armoire doivent donc être considérés dès la conception.

La conception interne du relais joue également un rôle déterminant. L’assemblage des semi-conducteurs de puissance, la technologie DCB et la maîtrise des contraintes thermomécaniques influencent directement les performances thermiques et la durée de vie du produit.

Chez celduc®, ces paramètres font partie intégrante du développement et de la fabrication des relais statiques afin d’assurer leur fiabilité dans les applications industrielles exigeantes.

8- Quelle solution celduc® pour votre application de chauffage ?

Pour une résistance chauffante conventionnelle, un relais statique synchrone Zero Cross constitue généralement la solution privilégiée.

Pour la régulation précise de la température d’un four, d’une étuve ou d’un procédé thermique, l’association d’un SSR Zero Cross avec une commande par trains d’ondes permet d’ajuster efficacement la puissance moyenne délivrée à la charge.

Lorsque l’application exige une variation très rapide de la puissance ou une gestion progressive du courant au démarrage, une solution de commande proportionnelle peut être plus adaptée.

Enfin, les charges présentant un fort courant à froid nécessitent une attention particulière. Leur comportement doit être analysé avant de déterminer la technologie de commande et le calibre du relais.

Avec ses différentes technologies de commutation et une gamme étendue de relais statiques monophasés, triphasés et de solutions de contrôle de puissance, celduc® accompagne les fabricants de machines dans le choix d’une solution adaptée à la charge, au procédé et aux conditions réelles d’utilisation.

Le bon SSR, c’est d’abord le bon mode de commande

Optimiser le pilotage d’une charge chauffante ne consiste pas simplement à choisir un relais capable de supporter son courant nominal.

Nature de la charge, comportement au démarrage, précision de régulation, vitesse de réponse, environnement électrique et gestion thermique doivent être considérés ensemble.

Relais statique synchrone, Gradateur train d’ondes syncopé ou contrôleur angle de phase : choisir la technologie adaptée permet d’obtenir le juste équilibre entre précision, maîtrise de la puissance, compatibilité électromagnétique et fiabilité.