Relais thermiques et protection moteur

Prérequis

Connaissance des bases de l'électricité industrielle (courant, tension, puissance). Familiarité avec les moteurs électriques asynchrones et leurs principes de fonctionnement. Compréhension des notions de couplage étoile/triangle.

Explication théorique

INTRODUCTION AUX RELAIS THERMIQUES : Les relais thermiques sont des dispositifs conçus pour protéger les moteurs électriques contre les surcharges prolongées. Une surcharge se produit lorsque le moteur tente de fournir plus de puissance mécanique que sa capacité nominale, ou lorsque la tension d'alimentation est trop faible, ce qui entraîne une augmentation du courant absorbé par les enroulements. Cet excès de courant provoque un échauffement interne du moteur, qui peut détériorer l'isolation des bobinages et réduire considérablement la durée de vie du moteur, voire le détruire. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT : Le cœur du relais thermique est constitué de bilames. Chaque bilame est composé de deux métaux ayant des coefficients de dilatation thermique différents, solidarisés l'un à l'autre. Le courant à protéger (celui qui alimente le moteur) traverse un enroulement chauffant associé à chaque bilame ou le bilame lui-même directement pour les courants faibles. Lorsque le courant dépasse la valeur réglée, l'échauffement provoqué par l'effet Joule dans le bilame ou l'enroulement chauffant entraîne la déformation du bilame. Cette déformation, proportionnelle à l'intensité du courant et à la durée de son passage, agit sur un mécanisme qui ouvre un contact auxiliaire 'normalement fermé' (NF) intégré au relais. Ce contact est inséré dans le circuit de commande du contacteur qui alimente le moteur. L'ouverture de ce contact provoque la coupure de l'alimentation de la bobine du contacteur, ce qui ouvre les contacts de puissance du contacteur et coupe ainsi l'alimentation du moteur. Il existe des relais thermiques tripolaires, protégeant chacune des trois phases du moteur. CARACTÉRISTIQUES PRINCIPALES : - CALIBRE : Le calibre du relais thermique doit être choisi en fonction du courant nominal du moteur. Il est réglable sur une certaine plage, généralement de 0,8 à 1,2 fois le courant nominal du moteur. Ce réglage permet d'adapter précisément le seuil de déclenchement à la protection souhaitée. - CLASSE DE DÉCLENCHEMENT : La classe de déclenchement définit le temps maximal de déclenchement du relais thermique en cas de surcharge de 7,2 fois le courant réglé (In). Les classes les plus courantes sont 10A, 10, 20 et 30. Par exemple, une classe 10A ou 10 indique un temps de déclenchement inférieur à 10 secondes pour 7,2 x In. Ces classes sont choisies en fonction de l'inertie de la charge du moteur (démarrage difficile ou facile). - COMPENSATION DE TEMPÉRATURE : Certains relais thermiques intègrent un mécanisme de compensation qui ajuste le seuil de déclenchement en fonction de la température ambiante. Cela évite les déclenchements intempestifs ou l'absence de protection due aux variations de température du lieu d'installation. - BOUTONS DE COMMANDE : Les relais thermiques sont équipés d'un bouton de réarmement (manuel ou automatique) et d'un bouton de test. Le bouton de test permet de vérifier le bon fonctionnement du mécanisme de déclenchement sans appliquer une surcharge réelle. CONNEXION ET INSTALLATION : Les relais thermiques sont généralement montés directement sous les contacteurs de puissance. Les bornes de puissance du relais reçoivent les phases de sortie du contacteur, et les bornes de sortie du relais sont connectées aux bornes d'alimentation du moteur. Le contact auxiliaire NF du relais est inséré en série dans le circuit de commande de la bobine du contacteur. Un contact NO (normalement ouvert) peut être utilisé pour signaler un déclenchement thermique (voyant, alarme). PROTECTION COMPLÉMENTAIRE : Bien que le relais thermique protège efficacement contre les surcharges, il ne protège pas contre les courts-circuits ou les déséquilibres de phases importants. Pour une protection complète, il est impératif d'associer le relais thermique à des dispositifs de protection contre les courts-circuits, tels que des disjoncteurs magnétothermiques ou des fusibles, en amont du contacteur et du relais thermique. Des relais de protection additionnels peuvent être utilisés pour surveiller des grandeurs telles que les asymétries de courant ou les pertes de phase.

Formules

• P = U × I × cos φ × √3

  Puissance électrique absorbée par un moteur triphasé en régime sinusoïdal.

• I_n = P_n / (U_n × cos φ × η × √3)

  Courant nominal absorbé par un moteur triphasé, où η est le rendement.

• R_th = (U^2 / P) - R_cu

  Résistance thermique équivalente du moteur, formule simplifiée sans être directement utilisée pour le réglage du relais thermique, mais pour comprendre l'échauffement.

• I_réglage = I_moteur_nominal

  Courant de réglage du relais thermique, généralement égal au courant nominal du moteur.

Variables et unités SI

Exemples industriels

EXEMPLE NUMÉRIQUE DE RÉGLAGE : Hypothèses : - Un moteur asynchrone triphasé est utilisé pour entraîner un convoyeur. - Le moteur fonctionne en régime nominal. - La tension d'alimentation est de 400 V entre phases. - La puissance mécanique nominale utile du moteur est P_n = 7,5 kW. - Le facteur de puissance nominal est cos φ = 0,85. - Le rendement nominal du moteur est η = 0,88. - Le couplage du moteur est triangle (Δ) pour 400 V. Calcul du courant nominal (I_n) : La formule pour le courant nominal absorbé par un moteur triphasé est : I_n = P_n / (U_n × cos φ × η × √3). 1. Conversion de la puissance mécanique en Watts : P_n = 7,5 kW = 7500 W. 2. Application de la formule : I_n = 7500 W / (400 V × 0,85 × 0,88 × 1,732) I_n = 7500 W / (520,384 V) I_n ≈ 14,41 A 3. Choix et réglage du relais thermique : Le courant nominal calculé est d'environ 14,41 A. Il faut choisir un relais thermique dont la plage de réglage inclut cette valeur. Par exemple, si nous sélectionnons un relais thermique avec une plage de réglage de 12 A à 18 A, nous devrions régler le bouton de réglage sur 14,4 A (ou la valeur la plus proche disponible, souvent par pas de 0,1 A ou 0,5 A). La classe de déclenchement sera choisie en fonction de l'application. Pour un convoyeur, le démarrage peut être considéré comme facile à moyen, une classe 10 ou 10A est généralement adéquate. Application industrielle concrète : Les relais thermiques sont omniprésents dans l'industrie pour protéger les moteurs entraînant une multitude d'équipements : pompes (pour l'irrigation, le transfert de fluides, les systèmes de refroidissement), ventilateurs (pour la ventilation industrielle, l'extraction de fumées), compresseurs (d'air comprimé, de réfrigération), broyeurs, mélangeurs, machines-outils, treuils, bandes transporteuses, et ascenseurs. Sans relais thermique, une simple surcharge due à un blocage mécanique, un roulement défectueux ou une baisse de tension prolongée pourrait entraîner la destruction coûteuse du moteur, provoquant des arrêts de production importants. En se déclenchant, le relais thermique protège le moteur, et son réarmement permet généralement une remise en service rapide une fois la cause de la surcharge éliminée, minimisant ainsi les temps d'arrêt et les coûts de maintenance.

Méthode de mesure

VÉRIFICATION DU FONCTIONNEMENT ET DU SEUIL DE DÉCLENCHEMENT (simulé) : 1. Couper l'alimentation électrique générale du circuit à tester (consignation). 2. Dégager les conducteurs du circuit de puissance du relais thermique si le test est réalisé hors tension pour éviter tout risque de démarrage intempestif du moteur. 3. Raccorder une source de courant alternatif variable et un ampèremètre de précision aux bornes de puissance du relais thermique (en série sur une phase pour un test simplifié, ou sur les trois phases si l'on dispose d'une source triphasée de test). 4. Raccorder un multimètre configuré en ohmmètre ou un testeur de continuité aux bornes du contact auxiliaire NF du relais thermique (ce contact doit être fermé initialement). 5. Régler le bouton de réglage du relais thermique à une valeur spécifique (par exemple, au milieu de sa plage). 6. Augmenter progressivement le courant de la source jusqu'à ce que le relais thermique déclenche (ouverture du contact NF, visible au multimètre). 7. Noter la valeur du courant de déclenchement et comparer avec la valeur de réglage et la classe de déclenchement spécifiée. Le déclenchement doit intervenir dans la plage de temps spécifiée pour la classe à un courant de 1,2 x In réglé (pour un test lent) ou 7,2 x In réglé (pour un test rapide de classe). 8. Tester le bouton de test mécanique du relais pour vérifier l'actionnement manuel du mécanisme de déclenchement. 9. Tester le bouton de réarmement (manuel ou automatique) pour s'assurer de sa fonctionnalité. 10. Remettre le relais en place et rétablir les connexions si le test est concluant.

Instruments nécessaires

- Multimètre numérique (pour tests de continuité et tensions). - Ampèremètre à pince ou ampèremètre de précision (pour mesurer les courants). - Source de courant alternatif variable (pour tests de déclenchement en laboratoire ou sur banc). - Chronomètre (pour vérifier les temps de déclenchement de classe).

Procédure de contrôle

1. Couper l'alimentation électrique (consignation). 2. Vérifier visuellement l'absence de dommage mécanique ou de signe de surchauffe sur le relais. 3. Tester le bouton de test mécanique du relais. 4. Vérifier la continuité du contact auxiliaire NF du relais en position de repos (doit être passant). 5. Vérifier la continuité du contact auxiliaire NO (s'il est utilisé) en position de repos (ne doit pas être passant). 6. Tester le réarmement du relais. Le contact NF doit se refermer. 7. Vérifier le serrage des connexions de puissance et de commande.

Symptômes de panne

- Le moteur ne démarre pas. - Le moteur démarre puis s'arrête brutalement après un certain temps. - Le relais thermique est déclenché (bouton réarmement sorti, voyant de défaut allumé). - Surchauffe anormale du moteur ou du relais thermique. - Forte odeur de brûlé émanant du moteur.

Causes probables

- Surcharge mécanique du moteur (blocage, charge excessive). - Tension d'alimentation trop faible ou déséquilibrée (déséquilibre de phases). - Coupure d'une phase (mono-phasage) en amont du moteur. - Réglage du relais thermique incorrect (trop faible). - Relais thermique défectueux (bilames fatiguées ou déformées). - Mauvais serrage des connexions de puissance, créant un échauffement localisé. - Court-circuit ou défaut d'isolation dans le moteur (peut provoquer un déclenchement magnétique si associé à un disjoncteur, ou thermique si le court-circuit n'est pas franc).

Erreurs fréquentes

- Régler le courant du relais thermique trop haut par rapport au courant nominal du moteur. - Ne pas tenir compte du couplage du moteur (étoile/triangle) lors du calcul du courant. - Remplacer un relais thermique défectueux sans rechercher la cause profonde du déclenchement initial. - Utiliser un relais thermique de classe inadaptée au type de démarrage du moteur (ex: classe 10 pour un démarrage très difficile). - Oublier de réarmer le relais après un déclenchement ou tenter de le forcer. - Ne pas vérifier le serrage des bornes, ce qui peut entraîner des points chauds et des déclenchements intempestifs.

Précautions de sécurité

- TOUJOURS CONSIGNER l'installation électrique (séparer, cadenasser, vérifier l'absence de tension) avant toute intervention sur le relais thermique ou le circuit moteur. Respecter la procédure de consignation et de déconsignation. - Utiliser les Équipements de Protection Individuelle (EPI) appropriés : gants isolants, lunettes de protection, vêtements de travail, chaussures de sécurité. - S'assurer que les personnes intervenant sur l'installation possèdent les HABILITATIONS ÉLECTRIQUES requises pour le niveau de tension et le type d'intervention. - Ne jamais tenter de contourner un relais thermique déclenché ou de le maintenir en position de fonctionnement manuellement. - Vérifier la compatibilité du relais thermique avec le contacteur et les caractéristiques du moteur.

Références

• Norme d'installation électrique applicable (ex: NF C 15-100 en France, IEC 60364 internationalement) — référence à vérifier
• Documentation technique des fabricants de relais thermiques (Schneider Electric, Siemens, ABB, Eaton, etc.) — référence à vérifier
• Ouvrages de référence en électrotechnique industrielle — référence à vérifier

Questions fréquentes

• Quelle est la différence entre un relais thermique et un disjoncteur magnétothermique ?

  Un relais thermique protège spécifiquement contre les surcharges prolongées en détectant l'échauffement dû au courant excessif. Un disjoncteur magnétothermique offre une double protection : protection thermique contre les surcharges et protection magnétique contre les courts-circuits instantanés. Le disjoncteur magnétothermique peut donc être utilisé comme protection unique pour le moteur, mais le relais thermique est souvent préféré pour sa précision de réglage et sa capacité à être monté directement sur le contacteur.

• Comment régler le courant d'un relais thermique ?

  Le courant de réglage du relais thermique doit être ajusté pour être égal au courant nominal (I_n) du moteur, tel qu'indiqué sur la plaque signalétique du moteur ou calculé. Si le moteur est couplé en étoile-triangle, le réglage dépend du mode de fonctionnement. Pour un démarrage étoile-triangle, le relais thermique doit être placé dans les enroulements du moteur (couplage triangle), et son réglage correspondra au courant phase (I_p = I_ligne / √3). Si le relais est placé en amont du couplage étoile/triangle, il doit être réglé sur le courant nominal ligne du moteur en régime triangle. Dans la plupart des cas, un seul relais thermique est utilisé et réglé sur le courant nominal ligne du moteur, positionné après le contacteur principal.

• Un relais thermique protège-t-il contre les courts-circuits ?

  Non, un relais thermique est principalement conçu pour protéger contre les surcharges. Il ne réagit pas suffisamment rapidement aux courants très élevés et instantanés générés par un court-circuit. Pour la protection contre les courts-circuits, il est nécessaire d'utiliser des fusibles ou un disjoncteur magnétique (ou magnétothermique) en amont du circuit moteur.

• Peut-on réarmer un relais thermique manuellement après un déclenchement ?

  Oui, la plupart des relais thermiques sont équipés d'un bouton de réarmement manuel. Avant de réarmer, il est impératif d'identifier et de corriger la cause du déclenchement (surcharge, défaut moteur, etc.) pour éviter un nouveau déclenchement immédiat ou des dommages au moteur. Certains relais ont également une fonction de réarmement automatique, mais celle-ci est moins courante et doit être utilisée avec prudence dans des applications spécifiques pour des raisons de sécurité.