Disjoncteurs miniatures (MCB) : construction, fonctionnement, types et applications

Qu'est-ce qu'un MCB (Disjoncteur Miniature) – Construction, fonctionnement, types et applications

Introduction aux disjoncteurs miniatures (MCB)

Tous les fusibles doivent être remplacés par des MCB « Disjoncteurs Miniatures » pour une meilleure sécurité et un meilleur contrôle lorsqu'ils ont fait leur travail dans le passé. Contrairement à un fusible, un MCB fonctionne comme un interrupteur automatique qui s'ouvre en cas de courant excessif traversant le circuit et, une fois le circuit revenu à la normale, il peut être refermé sans aucun remplacement manuel.

Les MCB sont utilisés principalement comme alternative au fusible-interrupteur dans la plupart des circuits. Une grande variété de MCB sont utilisés de nos jours avec une capacité de coupure de 10 kA à 16 kA, dans tous les domaines d'applications domestiques, commerciales et industrielles comme moyen de protection fiable.

Qu'est-ce qu'un disjoncteur miniature (MCB) ?

Un MCB ou disjoncteur miniature est un dispositif électromagnétique qui incarne une enceinte complète dans un matériau isolant moulé. La fonction principale d'un MCB est de commuter le circuit, c'est-à-dire d'ouvrir le circuit (qui y est connecté) automatiquement lorsque le courant le traversant dépasse la valeur pour laquelle il est réglé. Il peut être commuté manuellement ON et OFF comme un interrupteur normal si nécessaire.

Les MCB sont des dispositifs de déclenchement à retardement temporel, pour lesquels l'amplitude du surcourant contrôle le temps de fonctionnement. Cela signifie qu'ils fonctionnent chaque fois que des surcharges existent assez longtemps pour créer un danger pour le circuit protégé.

Par conséquent, les MCB ne répondent pas aux charges transitoires telles que les pics de commutation et les courants de démarrage des moteurs. Généralement, ils sont conçus pour fonctionner en moins de 2,5 millisecondes en cas de court-circuit et de 2 secondes à 2 minutes en cas de surcharge (selon le niveau de courant).

L'apparence externe typique d'un MCB est montrée en figure. Les MCB sont fabriqués en différentes versions polaires : simple, double, triple et tétrapolaire avec différents niveaux de courant de défaut.

La plupart du temps, les MCB sont couplés pour donner des versions bipolaires et tripolaires de sorte qu'un défaut sur une ligne coupera le circuit complet, assurant ainsi une isolation complète du circuit. Cette caractéristique sera utile en cas de perte de phase dans la protection des moteurs triphasés.

Ces dispositifs sont notés à 220 V pour l'alimentation continue et 240/415 V pour l'alimentation alternative (monophasée et triphasée) avec différentes capacités de courant de court-circuit. Typiquement, les dispositifs monophasés ont une plage de courant de charge jusqu'à 100 A. Certains MCB ont la possibilité d'ajuster leur capacité de courant de déclenchement tandis que certains dispositifs sont fixes pour certains courants de charge et de court-circuit.

Les MCB sont utilisés pour effectuer de nombreuses fonctions telles que : interrupteurs de commande locale, interrupteurs d'isolation contre les défauts et dispositifs de protection contre les surcharges pour installations ou équipements ou appareils spécifiques.

Construction du MCB

Un MCB incarne une enceinte complète dans un matériau isolant moulé. Cela fournit un boîtier mécaniquement solide et isolé.

Le système de commutation se compose d'un contact fixe et d'un contact mobile auxquels les fils d'entrée et de sortie sont connectés. Les pièces métalliques ou porteuses de courant sont en cuivre électrolytique ou en alliage d'argent selon la puissance nominale du disjoncteur.

Lorsque les contacts se séparent en cas de surcharge ou de court-circuit, un arc électrique se forme. Tous les MCB modernes sont conçus pour gérer les processus d'interruption d'arc où l'extraction de l'énergie de l'arc et son refroidissement sont assurés par des plaques métalliques de séparation d'arc.

Ces plaques sont maintenues en position par un matériau isolant. De plus, un guide d'arc est fourni pour forcer l'arc produit entre les contacts principaux.

Le mécanisme de fonctionnement se compose à la fois d'arrangements de déclenchement magnétique et thermique.

L'arrangement de déclenchement magnétique consiste essentiellement en un système magnétique composite qui a un pot à huile à ressort avec une masse magnétique dans un fluide siliconé, et un déclencheur magnétique normal. Une bobine porteuse de courant dans l'arrangement de déclenchement déplace la masse contre le ressort vers une pièce polaire fixe. Ainsi, une traction magnétique est développée sur le levier de déclenchement lorsqu'il y a un champ magnétique suffisant produit par la bobine.

En cas de courts-circuits ou de surcharges lourdes, le champ magnétique fort produit par les bobines (solénoïde) est suffisant pour attirer l'armature du levier de déclenchement indépendamment de la position de la masse dans le pot à huile.

L'arrangement de déclenchement thermique consiste en une lame bimétallique autour de laquelle une bobine chauffante est enroulée pour créer de la chaleur en fonction du passage du courant.

La conception du chauffage peut être soit directe où le courant traverse une lame bimétallique qui affecte une partie du circuit électrique, soit indirecte où une bobine de conducteur porteur de courant est enroulée autour de la lame bimétallique. La déformation d'une lame bimétallique active le mécanisme de déclenchement en cas de certaines conditions de surcharge.

Les lames bimétalliques sont composées de deux métaux différents, généralement laiton et acier. Ces métaux sont rivetés et soudés le long de leur longueur. Elles sont conçues de manière à ne pas chauffer la lame au point de déclenchement pour les courants normaux, mais si le courant augmente au-delà de la valeur nominale, la lame se réchauffe, se courbe et déclenche le verrou. Les lames bimétalliques sont choisies pour fournir des délais temporels particuliers sous certaines surcharges.

Fonctionnement et opération du MCB

Dans des conditions de fonctionnement normales, le MCB fonctionne comme un interrupteur (manuel) pour mettre le circuit ON ou OFF. En cas de surcharge ou de court-circuit, il fonctionne ou se déclenche automatiquement pour que l'interruption du courant ait lieu dans le circuit de charge.

L'indication visuelle de ce déclenchement peut être observée par le mouvement automatique du bouton de commande vers la position OFF. Cette opération automatique du MCB peut être obtenue de deux manières comme vu dans la construction du MCB : déclenchement magnétique et déclenchement thermique.

En cas de surcharge, le courant traversant la lame bimétallique provoque l'élévation de sa température. La chaleur générée à l'intérieur de la lame bimétallique elle-même suffit à provoquer une déformation due à l'expansion thermique des métaux. Cette déformation libère ensuite le verrou de déclenchement et les contacts se séparent.

Dans certains MCB, le champ magnétique généré par la bobine provoque une traction sur les lames bimétalliques de sorte que la déformation active le mécanisme de déclenchement.

En cas de court-circuit ou de surcharge lourde, l'arrangement de déclenchement magnétique entre en jeu. Dans des conditions normales, la masse est maintenue en position par un ressort léger car le champ magnétique généré par la bobine n'est pas suffisant pour attirer le verrou.

Lorsqu'un courant de défaut circule, le champ magnétique généré par la bobine est suffisant pour surmonter la force du ressort maintenant la masse en position. La masse se déplace alors et actionne le mécanisme de déclenchement.

Une combinaison des deux mécanismes de déclenchement magnétique et thermique est implémentée dans la plupart des disjoncteurs miniatures. Dans les deux opérations de déclenchement magnétique et thermique, un arc se forme lorsque les contacts commencent à se séparer. Cet arc est ensuite forcé dans les plaques de séparation d'arc via le guide d'arc.

Ces plaques de séparation d'arc sont aussi appelées chambres d'extinction d'arc où l'arc est divisé en une série d'arcs et, en même temps, l'énergie est extraite et refroidie. Ainsi, cet arrangement réalise l'extinction de l'arc.

Types de disjoncteurs miniatures (MCB)

Il existe de nombreux types de disjoncteurs tandis que les MCB sont classés en trois types majeurs selon leurs courants de déclenchement instantanés. Ce sont :

1. MCB Type B
2. MCB Type C
3. MCB Type D

MCB Type B

Ce type de MCB se déclenchera instantanément à un taux de trois à cinq fois son courant nominal. Ils sont normalement utilisés pour des charges résistives ou faiblement inductives où les pics de commutation sont très faibles. Par conséquent, ils conviennent aux installations résidentielles ou commerciales légères.

MCB Type C

Ce type de MCB se déclenchera instantanément à un taux de cinq à dix fois son courant nominal. Ils sont normalement utilisés pour des charges fortement inductives où les pics de commutation sont élevés, comme les petits moteurs électriques et l'éclairage fluorescent.

Dans de tels cas, les MCB Type C sont préférés pour gérer des valeurs plus élevées de courants de court-circuit. Par conséquent, ils conviennent aux installations commerciales et industrielles fortement inductives.

MCB Type D

Ce type de disjoncteur miniature se déclenchera instantanément à un taux de dix à vingt-cinq fois son courant nominal. Ils sont normalement utilisés pour des charges très fortement inductives où le courant d'appel est très fréquent.

Ils conviennent aux applications industrielles et commerciales spécifiques. Les exemples courants de telles applications incluent : machines à rayons X, systèmes UPS, équipements de soudage industriels, moteurs à gros enroulements, etc.

Les trois types de MCB ci-dessus offrent une protection dans un dixième de seconde. Les courants de déclenchement minimaux et maximaux de ces MCB sont donnés sous forme de tableau ci-dessous, où « Ir » est le courant nominal du MCB.

Les MCB peuvent également être classés selon le nombre de pôles : MCB unipolaire, bipolaire, tripolaire et tétrapolaire.

Comment sélectionner le bon MCB pour différentes charges ?

Choisir un MCB particulier pour une application spécifique est une tâche minutieuse pour assurer une protection fiable contre les surcharges et les courts-circuits. S'il n'est pas sélectionné selon les exigences du circuit, il y a des risques de déclenchements intempestifs fréquents.

Avant d'entrer dans les détails, nous devons connaître la différence entre MCB, MCCB, ELCB, RCB, RCD ou RCCB, et comment lire les données de la plaque signalétique du MCB imprimées dessus.

S'il est sous-dimensionné (puissance nominale du MCB inférieure au courant de charge nominal), le MCB provoque des déclenchements fréquents et interrompt le courant vers la charge à laquelle il est connecté, car le courant nominal du MCB est inférieur à la valeur du courant nominal de la charge.

De même, s'il est surdimensionné (puissance nominale du MCB supérieure au courant de charge nominal), la charge à laquelle il est connecté ne sera pas protégée efficacement. Dans ce cas, le MCB ne se déclenchera pas même si la charge tire un surcourant.

Voici les trois facteurs à considérer pour sélectionner un MCB approprié pour une application spécifique.

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1. Courant nominal du disjoncteur

C'est la puissance nominale en ampères du MCB. Cette valeur doit être inférieure à la capacité de transport de courant du système de câblage et supérieure ou égale au courant de charge maximal dans le système de câblage. Généralement, cette puissance doit être telle qu'elle puisse gérer 125 % de la charge continue plus la puissance de la charge non continue. Typiquement, cela peut s'exprimer comme :

Courant de charge maximal dans le système ≤ Courant nominal du MCB ≤ Puissance nominale du câble

2. Puissance kA ou capacité de coupure

Cette puissance fait référence à la capacité du MCB à se déclencher ou à interrompre le circuit en cas de court-circuit. Elle est exprimée en Kilo Ampères (kA). Cette puissance ne doit pas être inférieure au courant de court-circuit prospectif.

Le courant de court-circuit prospectif est le courant maximal qui existe dans le circuit en cas de court-circuit. Dans les installations résidentielles, un MCB 6 kA est suffisant, tandis qu'un MCB de 10 kA ou plus est nécessaire pour les applications commerciales et industrielles légères. En savoir plus sur Pourquoi la capacité du disjoncteur était notée en MVA et maintenant en kA et kV ?

3. Type de MCB

Le type de MCB nécessaire pour une application spécifique est décidé par les caractéristiques de fonctionnement de sorte que diverses puissances nominales de courant sont requises pour faire fonctionner les charges instantanément. Nous avons déjà mentionné divers types de MCB pour différentes applications ci-dessus.

Applications du MCB (Disjoncteur Miniature)

Comme les fonctions et applications principales ont déjà été décrites dans les énoncés ci-dessus, l'utilisation très basique du MCB est qu'il est utilisé pour protéger un circuit (câblage, charge connectée et équipement, etc.) en cas de :

• Court-circuit
• Surintensité
• Surcharge