Dans la plupart des cas, les moteurs électriques ne sont pas endommagés par des courts-circuits. Habituellement, ils cessent de fonctionner en raison d'une surchauffe causée par une opération continue à 110% du courant nominal pendant 40 minutes en raison de paliers secs ou d'un débit restreint à travers des pompes ou d'autres défauts similaires qui sont passés inaperçus jusqu'à ce que l'isolation de l'enroulement ait échoué. Le seul dispositif capable de détecter ce dysfonctionnement est un relais de surcharge, qui est la partie de protection la moins coûteuse du démarreur moteur.
Les informations ci-dessous expliquent ce que fournit le relais de surcharge dans le circuit de commande du moteur, comment chaque type de relais fonctionne, quelles classes de déclenchement sélectionner, ce qui cause le déclenchement, et comment régler le relais.
En résumé, un relais de surcharge moteur est un dispositif dans un démarreur moteur qui mesure le courant et coupe le circuit de commande si le moteur consomme trop de courant trop longtemps. Par conséquent, ce dispositif ne fournit pas de protection contre les courts-circuits, qui est assurée par le disjoncteur. Les types thermiques utilisent des lames bimétalliques chauffées par le courant, tandis que les types électroniques s'appuient sur des transformateurs de courant et un modèle du moteur. Le réglage correspond au courant nominal du moteur, tandis que la classe de déclenchement définie à 7,2 fois ce courant doit prendre en compte le temps de démarrage du moteur.
Ce que fait un relais de surcharge dans un circuit de commande moteur
Le relais de surcharge électrique a un rôle spécifique dans la commande moteur. Le but d’un relais de surcharge dans le système est de protéger le moteur contre la combustion de l’enroulement plutôt que de protéger le câble ou le contacteur. Cela explique beaucoup dans le processus de réglage de cette machine.
Le protecteur agit dans différentes situations, chaque dispositif étant responsable de son type de défaillance. Le premier est un dispositif de court-circuit tel que le fusible et le disjoncteur moulé qui peuvent gérer un courant de court-circuit allant jusqu’à plusieurs kiloampères en quelques millisecondes. Le deuxième type de protecteur est le contacteur qui utilise un travail électrique lors de la mise sous tension de la charge. Le relais de surcharge est utilisé entre ces deux dispositifs pour identifier quand le moteur fonctionne dans des conditions d’enroulement endommagé et de surchauffe du moteur.
Il fonctionne donc selon sa fonction principale et n’autorise pas la surchauffe ou l’endommagement du moteur. Lorsqu’il détecte une anomalie, le relais ouvre un petit contact utilisé dans le circuit du contacteur. Après la coupure du contact du contacteur, le moteur s’arrête mais le relais nécessite une réinitialisation manuelle.
En fait, le relais protège la capacité thermique du moteur car le courant n’en est qu’un indicateur indirect. Si le moteur fonctionne à chaud, il sera plus difficile pour le relais d’arrêter le moteur que si l’appareil fonctionne à froid, car il doit prendre en compte la chaleur accumulée du moteur avant son fonctionnement.
La pratique montre que si le moteur dispose d'une protection adéquate, la taille du relais importe peu. Le principal problème avec le relais est qu'il fonctionne ou non, augmenter la capacité du relais ne signifie rien à moins que la cause principale du problème ne soit découverte. La version intégrée de l'ensemble complet, contacteur plus surcharge plus boîtier, est ce qu'un démarreur de moteur de ce type propose, et l'achat en une seule unité élimine le risque de désaccord entre le contacteur et le relais qui cause la plupart des erreurs d'installation.
Fonctionnement d'un relais de surcharge moteur, type par type
Le marché est caractérisé par deux mécanismes prédominants et un mécanisme qui vient d'émerger.
- Le premier est le bimétal, qui utilise un chauffage indirect. Chaque phase passe à travers un élément chauffé par le composant bimétallique, qui se compose de deux métaux différents qui se dilatent à des taux différents de sorte qu'il se plie avec la chaleur. Lorsqu'il se plie, il agit sur la barre de sommation et un levier, qui libère le mécanisme de déclenchement et ouvre le contact 95-96. Le chauffage indirect signifie que le chauffage est responsable du chauffage du bimétal contrairement au courant électrique transmettant la chaleur à travers le bimétal. L'avantage est qu'il est possible d'utiliser un seul cadre pour différents niveaux de courant en changeant le chauffage. Le résultat d'une telle conception est que l'effet de temps inverse est obtenu. À un courant double nominal, le bimétal se plie lentement, à six fois le courant, la flexion est rapide. Cela correspond au comportement physique d'un moteur, qui a la capacité de supporter un courant élevé pendant une courte période et un courant faible au ralenti. Il existe un bimétal différent à des fins de compensation qui annule l'influence de la température ambiante.
- Le deuxième type est électronique. Des transformateurs de courant surveillent la valeur du courant pour chaque phase, et sur cette base un circuit électronique prend une décision selon le modèle thermique et active un petit relais ou un transistor qui commute le circuit. Il n'y a pas de chauffage dans ce processus – et le DVR est capable de commuter divers courants simplement en changeant le réglage. Ces dispositifs électriques sont utilisés pour la protection des moteurs, combinant dans un seul appareil les fonctions de protection magnétique contre les courts-circuits et de protection thermique contre les surcharges.
Quel que soit le type de protection utilisé, la connexion électrique est la même : les bornes 95-96 sont les contacts de déclenchement normalement fermés connectés en série avec la bobine du contacteur tandis que les bornes 97-98 sont normalement ouvertes et utilisées soit comme contacts indicateurs soit pour signaler un PLC. Le relais connecté via les bornes 97-98 au lieu des bornes 95-96 ne déclencherait jamais, et cette erreur se produit assez souvent pour être vérifiée avec un multimètre à chaque réception d'un panneau. Le côté bobine du même circuit est couvert dans ces spécifications des contacteurs AC, qui indiquent les tensions de bobine que le circuit de commande doit respecter.
Thermique ou électronique : la comparaison honnête
Les deux sont des réponses correctes pour différents travaux, et la différence de prix est moindre que la différence de fonctionnalités.
| Facteur | Thermique (bimétal) | Électronique |
|---|---|---|
| Précision | ±10% à 20% autour du réglage | Typiquement ±5% ou mieux |
| Compensation ambiante | −20 à +60 °C sur la plupart des cadres | −25 à +60 °C, plus large sur certains |
| Classe de déclenchement | Fixée à l'achat, généralement Classe 10 | Sélectionnable, souvent 5E à 30E |
| Mémoire thermique | Par refroidissement physique, ce qui est réaliste | Par modèle et état stocké |
| Diagnostics | Déclenchement ou non déclenchement | Courant par phase, charge thermique, cause du déclenchement |
| Prix | Le plus bas | Deux à cinq fois la charge thermique, décroissant |
| Idéal pour | Pompes standard, ventilateurs, démarreurs simples | Entraînements critiques, charges à forte inertie, installations en réseau |
L'inconvénient du relais thermique est qu'il utilise un bimétal qui fonctionne de la même manière que le moteur mais pas de manière à éliminer ses défauts. Le relais thermique n'indique pas la raison du déclenchement et est affecté par la température dans le tableau. De plus, la précision du relais thermique est affectée par d'autres facteurs, tels que les tolérances du chauffage.
L'inconvénient du relais électronique est sa dépendance aux réglages corrects et à l'alimentation électrique. En cas de problème avec la sortie, aucun signal ne sera émis. Cependant, il y a un avantage du fait que les relevés obtenus du relais électronique peuvent être utilisés par l'équipe de maintenance pour d'autres applications. Le comportement du côté contacteur sous la même charge est décrit dans ces Directives de sélection et de câblage des contacteurs AC, car un relais protège un moteur uniquement si le contacteur survit assez longtemps pour l'interrompre.
Classe de déclenchement : Le réglage qui cause le plus de déclenchements intempestifs
Selon la norme IEC 60947-4-1, la classe de déclenchement fait référence au temps nécessaire pour déclencher à 7,2 fois le courant préréglé lorsque le moteur est froid. Elle a été développée pour permettre aux moteurs de traverser le processus de démarrage sans détecter le courant jusqu'à ce que le moteur s'arrête complètement.
| Classe | Temps de déclenchement à 7,2 × réglage, à froid | Charge typique |
|---|---|---|
| 10A | 2 à 10 s | Démarrage rapide, faible inertie, réfrigération hermétique |
| 10 | 4 à 10 s | Pompes, ventilateurs, petits convoyeurs, usage général |
| 20 | 6 à 20 s | Convoyeurs chargés, compresseurs, ventilateurs plus grands |
| 30 | 9 à 30 s | Concasseurs, broyeurs, centrifugeuses, charges à forte inertie |
La demande d’utilisation de la bande de tolérance E dans les relais électroniques est que les temps minimums pour les classes sont inférieurs à ceux des autres, 3 secondes pour 5E, 5 secondes pour 10E, 10 secondes pour 20E, et 20 secondes pour 30E avec les temps maximums étant égaux à ceux des autres classes.
Pour décider de la classe de déclenchement appropriée, les exigences initiales peuvent être simplement formulées : elle doit être plus longue que le temps de démarrage du moteur. Pourtant, malgré la simplicité de la règle décrite, il existe un risque d’erreur lors de la sélection d’un relais. Lors de l’utilisation d’un relais de classe 10 avec un moteur mettant 14 secondes pour atteindre la vitesse de fonctionnement, il déclenchera à chaque tentative, donc la tentation sera d’ajuster le courant de réglage au lieu de changer la classe du relais, ce qui permettra de résoudre le problème mais privera le moteur de protection.
Les erreurs fréquentes lors du calcul du courant possible en cas d’utilisation d’un démarreur étoile-triangle sont courantes. Le courant traversant le relais de surcharge installé sur le contacteur principal est égal à 0,58 du courant nominal du moteur. S’il y a un relais de surcharge supplémentaire protégeant le moteur pendant la phase étoile, il sera réglé pour fonctionner à un tiers de la valeur du courant.
Ce qui provoque le déclenchement d’un relais de surcharge, et ce qui ne le provoque pas
La liste des causes réelles est courte comparée à la longue liste des causes supposées associées aux surcharges.
Une surcharge moteur se produit lorsque le courant effectif dépasse la valeur nominale suffisamment longtemps pour dépasser la limite thermique. Il y a quatre causes majeures de surcharge : des problèmes mécaniques, comme un palier bloqué, ou l’impulseur bloqué ou désaligné ; des problèmes d’alimentation, tels qu’une basse tension, où le courant augmente ; des changements d’utilisation, comme une pièce plus lourde, ou le registre fermé ; et un démarrage raté, où le moteur ne change pas de vitesse et reste en mode courant bloqué.
Cependant, il faut noter certaines erreurs fréquentes dans l’interprétation des surcharges. Certaines d’entre elles sont : un court-circuit lié au disjoncteur ; un défaut à la terre, nécessitant une protection par le DDR ; des contacts principaux brûlés d’un contacteur conduisant à un circuit ouvert ; et une défaillance dans le circuit de commande se manifestant par un défaut de verrouillage. Cette dernière est la mauvaise interprétation la plus courante car elle produit le même symptôme : arrêt complet du moteur, qui doit être redémarré. Un contacteur ayant perdu une phase par érosion des contacts tirera plus de courant sur les phases restantes et ressemblera exactement à une surcharge jusqu’à ce qu’une inspection soit réalisée, et les symptômes de cette défaillance sont exposés dans cette analyse. de la défaillance du contacteur AC.
Les déclenchements répétés sur un moteur utilisé depuis des années sont un problème mécanique, pas un problème de signal. Les déclenchements répétés sur une nouvelle installation sont très probablement dus à un réglage ou à une erreur de classe. Tout déclenchement survenant uniquement pendant l'été est probablement lié à la température. Tout déclenchement au démarrage est probablement dû à une erreur de classe ou à un mauvais réglage étoile-triangle. La manière la plus rapide de classer un déclenchement est par son temps de déclenchement.
Réglage du cadran : courant nominal, pas courant de déclenchement
Le cadran est calibré selon le courant nominal en charge complète du moteur inscrit sur la plaque signalétique et non selon une valeur qui empêcherait le déclenchement. La norme IEC 60947-4-1 spécifie que le relais ne doit pas déclencher dans des conditions où le courant dépasse cette valeur d’un facteur 1,05, et qu’il doit déclencher dans les 2 heures lorsque le courant la dépasse d’un facteur 1,2. La valeur sur le cadran devient le point de départ pour le tracé des caractéristiques temps-inverse du relais.
La plage typique des réglages est de 1,5:1, par exemple 7,5-11 ampères, et doit garantir que le moteur fonctionne dans la plage spécifiée plutôt qu’aux valeurs extrêmes afin de permettre de petits ajustements par la suite. Dans les situations où le facteur de service du moteur dépasse 1,0, il serait raisonnable de le régler légèrement au-dessus de la valeur spécifiée sur la plaque signalétique. Si le facteur de service est égal à 1,0, il doit alors être réglé selon les données de la plaque signalétique ou légèrement en dessous de cette valeur.
Une fois la mise en service terminée, les trois étapes suivantes doivent être respectées. Le courant de fonctionnement de l’ensemble installé doit être mesuré et comparé à celui de la plaque signalétique. Le réglage lui-même doit être enregistré sur le schéma du tableau. La dernière étape consiste à choisir le mode de changement, manuel ou automatique, selon qu’une personne observera ou non l’équipement.
Où la perte de phase change tout
La perte d’une phase peut créer la condition de surcharge la plus dangereuse à laquelle un moteur triphasé devra faire face. Lorsqu’une phase est défaillante et que le moteur continue de fonctionner sur deux phases, le courant circulant dans les enroulements restants augmente fortement et prend en charge une partie de la charge de courant du relais bimétallique. Un relais bimétallique simple à trois éléments peut être assez lent pour permettre une première progression de la défaillance de l’enroulement.
La construction sensible à la perte de phase, parfois appelée différentielle, intègre une seconde barre de sommation qui détecte la différence de déviation entre les phases. Une phase déséquilibrée ou manquante déclenchera le relais plus rapidement qu’une surcharge symétrique de même amplitude. Les chiffres publiés ramènent cet effet à la réalité. Sur une famille de relais courante, le courant ultime de déclenchement est de 120% en charge nominale, et avec perte de phase, il est de 115%. Les relais IEC modernes sont sensibles à la perte de phase par défaut ; les stocks anciens et les importations bon marché le sont souvent, mais la fiche technique ne le précise pas toujours clairement en anglais.
Choisir un relais selon l’application
Cinq situations courantes et ce qu’il faut spécifier pour chacune.
| Application | Spécification importante | Type suggéré |
|---|---|---|
| Pompe ou ventilateur, direct en ligne | Classe 10, sensibilité à la perte de phase, réarmement manuel | Relais thermique, monté sur le contacteur |
| Convoyeur chargé ou compresseur | Classe 20, mémoire thermique, réarmement à distance | Relais électronique avec classe sélectionnable |
| Concasseur, broyeur, centrifugeuse | Classe 30, détection de rotor bloqué, courant par phase | Relais électronique avec communications |
| Démarreur étoile-triangle | Réglage à 0,58 fois le courant nominal, second relais en étoile | Thermique, dimensionné selon le contacteur principal |
| Moteur unique, petite puissance | Combiné magnétique et thermique, un seul appareil | Disjoncteur de protection moteur |
Dans les cas où une installation fabrique ses propres démarreurs au lieu de les acheter, le relais fait partie d’une triade d’éléments nécessaires à la prise de décision. La coordination entre le relais et le contacteur doit avoir lieu afin que le démarreur ne soit pas endommagé suite à la coupure de défaut ; c’est en effet l’essence même de la coordination de type 2, et le degré de réussite dans cette réalisation dépend entièrement du choix de l’appareil en amont. Disjoncteur miniature cadre 63 A est le choix habituel en amont sur les petits démarreurs, et sa courbe doit correspondre au courant de démarrage du moteur sinon le premier démarrage déclenchera le disjoncteur au lieu du relais.
FAQ
Quelle est la fonction d’un relais de surcharge dans un circuit moteur ?
Afin de protéger l’enroulement moteur contre un surcourant prolongé, la méthode consiste à ouvrir le circuit de commande une fois que la durée du courant est suffisante pour dépasser la capacité thermique du moteur. Il n’élimine pas les courts-circuits et ne peut pas remplacer le disjoncteur ou le fusible en amont du circuit de commande.
Quel est le but d’un relais thermique de surcharge dans un démarreur moteur ?
Ce mécanisme de protection fonctionne à l’aide de lames bimétalliques chauffées par le courant moteur. Son avantage dans un interrupteur de démarrage est qu’il ne nécessite aucune source d’alimentation supplémentaire et se comporte comme le moteur en termes de caractéristiques de température et de courant. Ainsi, ce type de protection reste la norme pour les démarreurs directs simples.
Comment fonctionne un relais de surcharge moteur ?
La chaleur produite par le courant dans un bimétal ou un transformateur de courant est comparée à un modèle thermique. Cependant, si le signal résultant dépasse la limite selon la classe de déclenchement, un contact normalement fermé s’ouvre et le contacteur se décolle. Le contacteur reste enclenché jusqu’au réarmement.
Quel type de relais de surcharge est utilisé dans un démarreur moteur ?
Quatre types de relais sont généralement utilisés dans les applications pratiques. Ce sont le relais thermique bimétallique, le relais électronique de surcharge, le disjoncteur de protection moteur qui combine les propriétés des relais thermique et magnétique, et le bloc de surcharge à semi-conducteurs qui utilise des méthodes électroniques pour mesurer la surcharge mais a les mêmes dimensions que les relais à action thermique.
Qu’est-ce qui provoque le déclenchement d’un relais de surcharge ?
The occurrence of mechanical overload, low voltage supply, changes in the operational load, or a motor that fully fails to attain speed. In an older installation, a potential mechanical problem will show signs of multiple trips; however, a new installation could simply indicate the need for a different trip class or the wrong trip setting.
Does an overload relay protect against short circuit?
No, it is purposely made slow so that it can be able to pass through the starting of motors. Hence, it does not work for fault current. Hence, separate protection has to be provided against short circuit failures. These two devices have to be chosen together, so that starter survives the failure without being damaged.
Can I set the overload relay above the motor’s rated current?
The service factor can only be set higher if there is a valid reason for that. Putting the service factor higher to avoid nuisance trips defeats the purpose of having the motor in the first place, and instead of a trip, the next failure will be a winding.
Références
- Siemens — SIRIUS Overload Relay Technical Documentation
- ABB — Thermal and Electronic Overload Relays
- Newark — Overload Relay and Motor Protection Components
- Grainger — Motor Controls and Overload Relays
- NEMA — Motor Control Equipment Standards
Conclusion
An overload relay is slow at its work, guarding the appliance energetically. The essence of its task is to detect slight prolonged overcurrent, which implies setting its dial at motor rated current, the trip class just over the start time, and understanding that a trip is information only.
The only defects to watch for are a relay set too high and a relay 95-96 contact not connected to the coil circuit. In both cases, a motor is still unprotected even with a seemingly fully assembled panel, and checking for both cases doesn’t take more than a minute.
