Alimentations 24 V DC en armoire industrielle

Prérequis

Connaissances de base en électricité (tension, courant, puissance), distinction entre courant alternatif (AC) et courant continu (DC). Notions élémentaires sur les circuits électriques.

Explication théorique

INTRODUCTION : Les alimentations 24 V DC sont omniprésentes dans l'industrie. Elles transforment la tension du réseau électrique alternatif en une tension continue et stable de 24 volts, essentielle pour la plupart des composants d'automatisation. Cette tension de 24 V DC est un standard industriel en raison de sa sécurité (faible tension), de sa facilité de gestion et de sa compatibilité avec une vaste gamme d'équipements. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT : Une alimentation 24 V DC industrielle fonctionne généralement sur le principe du convertisseur à découpage (SMPS - Switched-Mode Power Supply). Ce type de convertisseur est préféré pour son rendement élevé, sa taille compacte et sa capacité à maintenir une tension de sortie stable malgré les variations de la tension d'entrée et de la charge. Le processus de conversion comprend plusieurs étapes : 1. **Redressement :** La tension alternative d'entrée est d'abord redressée pour la convertir en tension continue non régulée. Ceci est généralement réalisé à l'aide d'un pont de diodes. Un condensateur de filtrage lisse ensuite cette tension. 2. **Découpage :** La tension continue obtenue est ensuite hachée (découpée) à haute fréquence par un interrupteur électronique (généralement un transistor MOSFET). Ce découpage transforme la tension continue en une série d'impulsions. 3. **Transformation et isolation :** Ces impulsions sont appliquées à un transformateur haute fréquence. Le transformateur abaisse la tension et assure l'isolation galvanique entre l'entrée (côté réseau) et la sortie (côté 24 V DC). Cette isolation est cruciale pour la sécurité des opérateurs et la protection des équipements connectés. 4. **Redressement et filtrage de sortie :** La tension alternative à la sortie du transformateur est à nouveau redressée, puis filtrée par des condensateurs et une bobine pour produire une tension continue stable et lisse de 24 V. 5. **Régulation :** Une boucle de régulation compare la tension de sortie réelle à une tension de référence. Si la tension de sortie dévie, le contrôleur ajuste le rapport cyclique de l'interrupteur de découpage pour corriger la tension, assurant ainsi une sortie stable de 24 V DC, quelle que soit la variation de la charge ou de la tension d'entrée. CARACTÉRISTIQUES CLÉS : - **Tension d'entrée :** Généralement multi-gamme (ex: 110-240 V AC monophasé, ou 3x400-500 V AC triphasé). Certains modèles acceptent aussi une entrée DC. - **Tension de sortie :** Typiquement 24 V DC, souvent réglable sur une petite plage (ex: 22 V à 28 V) pour compenser les chutes de tension dans les câbles. - **Courant de sortie :** Indiqué en ampères (A), il représente le courant maximal que l'alimentation peut fournir en continu sans dommage (ex: 2.5 A, 5 A, 10 A, 20 A, etc.). - **Puissance de sortie :** P = U x I, exprimée en Watts (W). Elle est une caractéristique essentielle pour dimensionner l'alimentation. - **Rendement :** Pourcentages élevés (souvent > 90%) indiquant l'efficacité de la conversion d'énergie et la faible production de chaleur. - **Protection :** Intègrent des protections contre les surcharges, les courts-circuits, les surtensions, les surchauffes et les sous-tensions d'entrée. - **Isolation :** Isolation galvanique entre l'entrée et la sortie, souvent spécifiée par une tension d'isolation (ex: 4 kV AC). - **Fonctions avancées :** Certaines alimentations incluent des fonctions comme la redondance (connexion parallèle), la surveillance à distance, le diagnostic d'état, ou la fourniture de courant de pointe pour des charges capacitives ou inductives au démarrage. NORMES ET ENVIRONNEMENT : Les alimentations industrielles sont conçues pour fonctionner dans des environnements exigeants. Elles sont souvent conformes à des normes spécifiques concernant l'immunité aux perturbations électromagnétiques (CEM), la sécurité électrique et la résistance aux vibrations et températures extrêmes (À vérifier selon le pays, l'installation et l'édition applicable).

Formules

• P = U × I

  Puissance en courant continu (P) est le produit de la tension (U) et du courant (I).

• I = P / U

  Courant (I) est le rapport de la puissance (P) sur la tension (U).

• U = R × I

  Loi d'Ohm : la tension (U) est le produit de la résistance (R) et du courant (I).

• R_total = R_1 + R_2 + ...

  Résistance totale de résistances en série.

• 1/R_total = 1/R_1 + 1/R_2 + ...

  Résistance totale de résistances en parallèle.

Variables et unités SI

Exemples industriels

EXEMPLE DE DIMENSIONNEMENT D'UNE ALIMENTATION 24 V DC Hypothèses : - L'alimentation sera utilisée pour un système d'automatisation. - Le rendement de l'alimentation sera de 90%. - Une marge de sécurité de 20% est requise pour le dimensionnement. Données des charges à alimenter : - Un automate programmable (PLC) : 10 W - Trois modules d'entrées/sorties numériques : 2 W chacun - Deux modules d'entrées/sorties analogiques : 3 W chacun - Cinq capteurs inductifs : 1.5 W chacun - Dix voyants lumineux à LED : 0.5 W chacun - Un distributeur électropneumatique (bobine) : 4 W Calcul étape par étape : 1. **Calcul de la puissance totale consommée par les charges :** - Puissance automate = 10 W - Puissance modules E/S numériques = 3 modules * 2 W/module = 6 W - Puissance modules E/S analogiques = 2 modules * 3 W/module = 6 W - Puissance capteurs = 5 capteurs * 1.5 W/capteur = 7.5 W - Puissance voyants = 10 voyants * 0.5 W/voyant = 5 W - Puissance distributeur = 4 W - **Puissance totale absorbée (P_charges) = 10 + 6 + 6 + 7.5 + 5 + 4 = 38.5 W** 2. **Calcul de la puissance minimale requise à la sortie de l'alimentation (P_sortie_min) :** La puissance P_charges doit être fournie par l'alimentation. P_sortie_min = P_charges. **P_sortie_min = 38.5 W** 3. **Application de la marge de sécurité :** P_sortie_requise = P_sortie_min * (1 + Marge de sécurité) P_sortie_requise = 38.5 W * (1 + 0.20) P_sortie_requise = 38.5 W * 1.20 **P_sortie_requise = 46.2 W** 4. **Calcul du courant de sortie nominal requis pour l'alimentation (I_nominal) :** U_sortie = 24 V I_nominal = P_sortie_requise / U_sortie I_nominal = 46.2 W / 24 V **I_nominal ≈ 1.925 A** 5. **Choix de l'alimentation :** Il faut choisir une alimentation dont le courant de sortie nominal est supérieur ou égal à 1.925 A. Les valeurs courantes sont souvent 2.5 A, 5 A, 10 A, etc. Une alimentation de 2.5 A (soit 2.5 A * 24 V = 60 W) serait un choix approprié, offrant une capacité suffisante. Application industrielle concrète : Une alimentation 24 V DC est au cœur d'une ligne de production automatisée. Elle alimente l'automate programmable qui pilote la séquence des opérations, les capteurs qui détectent la présence des pièces, les électrovannes qui commandent les vérins pneumatiques et les voyants lumineux qui indiquent l'état du processus. En cas de panne de l'alimentation, toute la ligne de production s'arrête, entraînant des pertes de production significatives. C'est pourquoi la fiabilité, la robustesse et le bon dimensionnement de cette alimentation sont primordiaux. Pour les applications critiques, des systèmes d'alimentation redondants (plusieurs alimentations en parallèle avec des modules de découplage) sont souvent mis en œuvre pour garantir une disponibilité maximale.

Méthode de mesure

Vérification de la tension et du courant de sortie d'une alimentation 24 V DC : 1. **Préparation :** S'assurer que l'alimentation est sous tension et que des charges y sont connectées. Respecter les consignes de sécurité (voir section dédiée). 2. **Mesure de la tension de sortie :** - Régler le multimètre numérique sur la fonction Voltmètre DC (V= ou DCV). - Sélectionner la gamme de mesure appropriée, généralement 20 V ou 200 V DC. - Connecter les pointes de touche du multimètre en parallèle aux bornes de sortie +24 V et 0 V de l'alimentation, en respectant la polarité (rouge sur +24V, noir sur 0V). - Lire la valeur affichée sur le multimètre. Elle doit être proche de 24 V (généralement entre 23.5 V et 24.5 V, selon la régulation et le réglage). 3. **Mesure du courant de sortie (méthode indirecte avec pince ampèremétrique DC) :** - Régler la pince ampèremétrique sur la fonction Ampèremètre DC (A= ou DCA). - Ouvrir la mâchoire de la pince et l'entourer autour d'UN SEUL conducteur de sortie de l'alimentation (soit le +24 V, soit le 0 V), sans toucher les autres câbles. - Lire la valeur affichée sur la pince ampèremétrique. Cette valeur représente le courant total consommé par les charges connectées. Comparer cette valeur au courant nominal de l'alimentation pour s'assurer qu'elle n'est pas surchargée. 4. **Mesure du courant de sortie (méthode directe avec multimètre - À n'utiliser que pour de faibles courants et avec précaution !) :** - **Couper l'alimentation électrique de l'armoire !** - Régler le multimètre sur la fonction Ampèremètre DC (A= ou DCA). - Sélectionner la gamme de mesure appropriée (généralement 10 A ou 20 A pour des courants industriels, mais vérifier la capacité maximale du multimètre). - Déconnecter le câble +24 V de la borne de sortie de l'alimentation. - Connecter le multimètre en série : une pointe de touche sur la borne +24 V de l'alimentation et l'autre pointe de touche sur le câble +24 V déconnecté (le multimètre doit être inséré dans le circuit). Attention à bien utiliser les prises 'mA' ou 'A' du multimètre. - **Rétablir l'alimentation électrique.** Lire la valeur. **Couper l'alimentation avant de reconnecter le circuit normalement !** Cette méthode est risquée et généralement évitée en milieu industriel au profit de la pince ampèremétrique.

Instruments nécessaires

- Multimètre numérique TRMS (True RMS) avec fonction Voltmètre DC et Ampèremètre DC (si méthode directe ou pour petits courants). - Pince ampèremétrique DC (pour la mesure non intrusive du courant). - Tournevis isolés. - Thermomètre infrarouge (pour vérifier la température de l'alimentation en charge). - Oscilloscope (pour l'analyse fine de l'ondulation résiduelle, en cas de dysfonctionnement).

Procédure de contrôle

- Vérifier visuellement l'absence de dommages physiques, de surchauffe ou de décoloration. - Mesurer la tension de sortie à vide et en charge nominale pour s'assurer de sa stabilité (24 V DC +/- tolérance). - Mesurer le courant de sortie pour confirmer que l'alimentation n'est pas en surcharge. - Vérifier le serrage des borniers de connexion. - Vérifier l'état des voyants d'état (LED) de l'alimentation.

Symptômes de panne

- Aucune tension de sortie (0 V). - Tension de sortie instable ou en dessous de 24 V DC. - Surtension de sortie (au-dessus de 24 V DC). - Voyant d'état (LED) éteint, clignotant ou d'une couleur anormale. - Bruit excessif (sifflement, bourdonnement) provenant de l'alimentation. - Odeur de brûlé ou dégagement de fumée. - Disjoncteur d'entrée de l'alimentation qui se déclenche. - Surchauffe anormale du boîtier de l'alimentation.

Causes probables

- **Aucune tension de sortie :** fusible d'entrée grillé, coupure du disjoncteur en amont, panne interne de l'alimentation (composant défectueux), court-circuit en sortie. - **Tension de sortie instable/basse :** surcharge de l'alimentation, défaut d'un composant interne (condensateur de filtrage usé), ondulation résiduelle trop importante, chute de tension due à des câbles sous-dimensionnés. - **Surtension de sortie :** défaillance du circuit de régulation interne de l'alimentation. - **Bruit ou odeur de brûlé :** surcharge sévère, composants endommagés (transformateur, bobine, condensateur). - **Déclenchement du disjoncteur :** court-circuit en entrée ou en sortie, défaut interne de l'alimentation, surcharge très importante. - **Surchauffe :** Surcharge prolongée, ventilation insuffisante dans l'armoire, ventilateur de l'alimentation encrassé ou défectueux (si présent).

Erreurs fréquentes

- **Surcharger l'alimentation :** Connecter plus de charges que la capacité nominale de l'alimentation, entraînant une réduction de sa durée de vie ou une panne. - **Négliger la marge de sécurité :** Dimensionner l'alimentation au juste nécessaire, sans tenir compte des pics de courant au démarrage ou de l'ajout futur de charges. - **Mauvaise qualité de câblage :** Utiliser des sections de câble trop faibles, entraînant des chutes de tension significatives, surtout sur de longues distances. - **Absence de protection :** Ne pas installer de disjoncteur magnéto-thermique en amont de l'alimentation ou de protection contre les courts-circuits en aval. - **Ventilation insuffisante :** Ne pas prévoir un espace suffisant autour de l'alimentation ou une ventilation adéquate dans l'armoire, provoquant une surchauffe. - **Non-respect de la polarité :** Inverser la polarité lors du raccordement des charges, ce qui peut endommager l'alimentation ou les équipements connectés. - **Mélanger les masses :** Connecter la borne 0 V de plusieurs alimentations sans précaution, ce qui peut créer des boucles de masse et des problèmes de bruit électrique.

Précautions de sécurité

Travailler sur des installations électriques industrielles requiert le respect scrupuleux des procédures de sécurité pour prévenir tout risque électrique (électrocution, brûlure, incendie). Les mesures suivantes sont impératives : - **Consignation :** Avant toute intervention, l'alimentation et le circuit sur lequel on travaille doivent être consignés selon la procédure standard (séparation, condamnation, vérification d'absence de tension – VAT). Cela inclut la coupure du disjoncteur général, le cadenassage, et l'affichage des pancartes de sécurité. - **Équipements de Protection Individuelle (EPI) :** Porter impérativement des gants isolants, des lunettes de sécurité et des vêtements de travail adaptés (non conducteurs et résistant aux flammes). Chaussures de sécurité isolantes sont également obligatoires. - **Habilitation électrique :** Seuls les personnels disposant d'une habilitation électrique valide et adaptée au domaine de tension (ex: B1V, BR, BC, H0V) sont autorisés à intervenir sur des équipements électriques. L'habilitation garantit que l'opérateur a reçu la formation nécessaire sur les risques et les procédures de sécurité. - **Vérification d'Absence de Tension (VAT) :** Après la consignation, utiliser un appareil de vérification d'absence de tension (testeur de tension, multimètre) pour s'assurer qu'aucune tension n'est présente sur les bornes de l'alimentation avant de commencer les travaux. Tester l'appareil de VAT avant et après l'opération. - **Outils isolés :** Utiliser uniquement des outils à main avec des manches isolés conformes aux normes en vigueur pour éviter les courts-circuits accidentels ou les contacts avec des parties sous tension. - **Environnement :** S'assurer que la zone de travail est propre, sèche et bien éclairée. Éviter de travailler seul. - **Premiers secours :** Connaître les gestes de premiers secours en cas d'électrocution et s'assurer que les équipements de secours (trousse de secours, couvertures anti-feu, extincteur) sont à proximité et accessibles.

Références

• Norme EN 60950-1 (Sécurité des équipements de traitement de l'information) ou EN 62368-1 (Sécurité des équipements audio/vidéo, technologies de l'information et de la communication) — référence à vérifier
• Norme EN 61000-6-2 (Immunité pour les environnements industriels) et EN 61000-6-4 (Émission pour les environnements industriels) pour la CEM — référence à vérifier
• Norme NF C 18-510 (Opérations sur les installations électriques et électroniques – Prévention des risques électriques) — référence à vérifier

Questions fréquentes

• Pourquoi 24 V DC est-il le standard en automatisation industrielle ?

  Le 24 V DC est un compromis optimal entre sécurité (basse tension réduisant les risques d'électrocution), performance (suffisant pour alimenter la plupart des capteurs et petits actionneurs) et gestion des pertes (moins de pertes en ligne que des tensions plus basses). De plus, il permet l'utilisation de composants électroniques standardisés et robustes.

• Quelle est la différence entre une alimentation régulée et non régulée ?

  Une alimentation non régulée fournit une tension de sortie qui varie en fonction de la tension d'entrée et de la charge. Une alimentation régulée (comme la majorité des 24 V DC industrielles à découpage) maintient une tension de sortie stable et constante, quelle que soit la variation de la tension d'entrée ou de la charge dans ses limites nominales.

• Peut-on mettre des alimentations 24 V DC en parallèle pour augmenter le courant ?

  Oui, certaines alimentations sont conçues pour être mises en parallèle. On parle alors de redondance ou d'augmentation de puissance. Cependant, cela nécessite des alimentations compatibles avec cette fonction (souvent avec une fonction de partage de courant actif) et parfois des modules de découplage pour éviter les problèmes et assurer la sélectivité en cas de défaillance d'une alimentation. Il est crucial de consulter la documentation du fabricant.

• Qu'est-ce que l'isolation galvanique et pourquoi est-elle importante ?

  L'isolation galvanique est une séparation physique et électrique entre deux circuits. Dans une alimentation, elle sépare le circuit d'entrée (secteur AC) du circuit de sortie (24 V DC). Elle est importante pour la sécurité (protège les utilisateurs contre les chocs électriques provenant du secteur) et pour la protection des équipements en évitant la propagation de bruits électriques ou de défauts de masse entre les deux parties du circuit.