Une bande transporteuse se bloque. Le moteur tire 38 ampères du circuit qui est calibré pour seulement 32 ampères pendant une durée de 90 secondes pendant que quelqu’un va le réparer. Tout est intact. Le disjoncteur et tous ses contacts sont également intacts. Bien que la bobine élève sa température de 40 degrés Celsius au-dessus de la limite indiquée sur la plaque du moteur, l’isolation souffre et brûle en moins de 3 semaines. Un ingénieur électricien est à blâmer. Un nouveau moteur est acheté. Une autre panne survient dans les 3 mois.
La distance entre les affirmations “ la consommation d’énergie était trop élevée ” et “ la protection du circuit a fonctionné ” est exactement la distance que les générateurs ont été développés pour couvrir. Les situations impliquant cette distance sont parmi les occurrences les plus courantes d’installation et de réglage incorrects des éléments de protection du moteur.
Selon la réponse rapide, la protection contre les surcharges est un type de temporisation inverse qui protège le moteur contre un courant prolongé au-dessus de sa limite de fonctionnement nominale mais en dessous de la valeur d’un court-circuit. Ce type de protection est assuré par un relais thermique de surcharge, un relais électronique de surcharge, un disjoncteur moteur ou l’élément thermique présent à l’intérieur d’un disjoncteur moulé. Les temporisations sont dictées par la norme IEC 60947-4-1 utilisant les classes 10A, 10, 20 et 30 et la limite supérieure du réglage est déterminée par la norme NEC 430.32. HUYU fabrique les démarreurs électromagnétiques ExQ7, les contacteurs ExC7 et les disjoncteurs moulés ExM3 pour remplir cette fonction dans les démarrages moteurs.
Ce que couvre la protection contre les surcharges, et ce qu’elle ne couvre pas
Il existe trois types de défauts souvent confondus. Le court-circuit désigne un défaut instantané avec un courant de défaut mesuré en kiloampères et d’une durée de quelques millisecondes. Le défaut à la terre se produit lorsque le courant de défaut va à la terre et est pris en charge par un DDR ou GFCI. La surcharge se situe entre ces deux catégories ; elle se produit lorsque le courant est légèrement supérieur à la normale pendant une période prolongée.
Cependant, les différences sont beaucoup plus petites que ce que l’on pense. Un moteur de 32 A qui fonctionne à 36 A est surchargé de 12,5 %, ce qui est acceptable lors d’une chaude journée d’été, mais si ce même moteur fonctionne à 45 A, l’enroulement souffrira de surchauffe. Un cas de fonctionnement à 200 A impliquerait que la protection magnétique déclenche en moins de 20 millisecondes.
Pour cette raison, la protection contre les surcharges doit fonctionner nettement plus lentement. Étant basée sur la chaleur et non seulement sur le courant, cela signifie que si un dispositif déclenche après deux secondes à 1,5 fois le courant nominal, il tomberait en panne à chaque démarrage de l’appareil. Il doit supporter le temps de démarrage tout en reconnaissant la surchauffe en même temps.
Comment le déclenchement se produit réellement
Un relais thermique est conçu de manière à contenir deux composants métalliques possédant des capacités d’expansion différentielles. Par exemple, l’action de flexion permet d’atteindre un seuil prédéfini pour déclencher le mécanisme à bascule si la flexion dépasse un certain niveau.
En outre, un second bimétal alimenté par la température ambiante chauffe l'autre qui est chargé du fonctionnement du moteur. Dans le cas où il n'y a pas de circulation d'air dans l'enceinte à une température de 50°C, le relais peut déclencher indésirablement tout l'été ou tard en saison hivernale.
Les relais électroniques modernes utilisent des transformateurs et des microcontrôleurs pour fournir des mesures RMS véritables par échantillonnage. Ils sont également capables d'ajouter des fonctions telles que la mémoire thermique et la détection de perte de phase ainsi qu'une classe de déclenchement réglable et, très souvent, une sortie 4–20 mA. Dans un démarreur compact, le relais est boulonné directement sous le contacteur et câblé via le même bloc de surcharge, ce qui est la façon dont le démarreur électromagnétique EXQ7 de HUYU associe son contacteur avec l'élément de surcharge dans un seul ensemble au lieu de deux éléments séparés sur rail DIN.
La classe de déclenchement détermine le temps
Le numéro de classe est défini dans la norme IEC 60947-4-1 comme le temps maximal de déclenchement exprimé en secondes à un facteur de 7,2 du courant de déclenchement à partir d'un état chaud. La même norme stipule une limite supérieure de 1,05 fois, telle que le relais ne peut pas déclencher, et une limite inférieure de 1,2 fois telle que le relais doit déclencher en moins de deux heures.
| Classe | Temps de déclenchement à 7,2 × réglage (froid) | Déclenchement max à 1,5 × (chaud) | Charge typique |
|---|---|---|---|
| 10A | 2–10 s | 120 s | Compresseurs hermétiques, service de redémarrage à chaud |
| 10 | 4–10 s | 240 s | Moteurs IEC standard, pompes et ventilateurs pilotés par variateur de fréquence |
| 20 | 6–20 s | 480 s | Moteurs NEMA Design B, convoyeurs chargés, compresseurs |
| 30 | 9–30 s | 720 s | Concasseurs, centrifugeuses, broyeurs, ventilateurs à forte inertie |
Le choix de la classe est toujours dicté par le temps de démarrage et ne dépend pas de la préférence personnelle. Une pompe recevant la classe 10 est correctement classée lorsqu'elle atteint sa pleine vitesse en seulement trois secondes. Inversement, un ventilateur centrifuge de 200 kW qui met 25 secondes pour atteindre la vitesse maximale nécessitera la classe 30 afin de ne pas provoquer le déclenchement du relais lors de son démarrage dans des conditions normales, et l'opérateur devra tourner le cadran pour désactiver le système de protection.
Cette logique peut être appliquée au cas des protecteurs de circuit moteur et des disjoncteurs moulés. Ces dispositifs ne peuvent pas être utilisés l'un à la place de l'autre dans les démarreurs. Il existe des protecteurs de circuit moteur qui fonctionnent uniquement selon le principe magnétique et ne comportent pas l'élément thermique incorporé, ce qui signifie qu'aucune protection thermique ne peut être assurée. Les différences sont exposées dans cette comparaison entre un protecteur de circuit moteur et un disjoncteur, et elles sont importantes lorsque vous commandez un démarreur à partir d'une nomenclature rédigée par quelqu'un d'autre.
Les quatre dispositifs qui accomplissent ce travail
| Dispositif | Élément de surcharge | Pouvoir de coupure | Réarmement | Meilleure adéquation |
|---|---|---|---|---|
| Relais thermique de surcharge | Bimétal, temps inverse | Aucun, nécessite une protection de secours | Manuel ou automatique | Démarreurs standards, moteurs IEC |
| Relais de surcharge électronique | TC plus firmware | Aucun, nécessite une protection de secours | Manuel, à distance ou automatique | Charges critiques, variateurs, réarmement à distance |
| Disjoncteur de protection moteur | Bimétal ou hydraulique-magnétique | Inclus, typiquement 50–100 kA à 400 V | Levier manuel | Démarreur compact simple, isolement local |
| Disjoncteur moulé avec déclencheur thermo-magnétique | Bimétal plus magnétique | Inclus, 25–150 kA | Interrupteur manuel | Alimenteurs, moteurs plus gros, démarreurs combinés |
Voyez-vous ce qui manque dans le tableau ? Il n’y a aucune de ces quatre options qui soit meilleure qu’une autre. Un relais thermique surveille pour $25 et effectue une fonction sans version de firmware. Le disjoncteur de protection moteur coûte trois fois plus cher que le relais thermique et supprime le composant de détection de court-circuit ainsi que le câblage. Tout cela se traduit par des panneaux plus petits et un assemblage plus simple pour un projet de moteur 500.
Comment les dispositifs diffèrent en pratique
Les relais thermiques ne sont pas fiables. Le bimétal se détériore, et la calibration peut changer de plusieurs pourcents sur une période de dix ans. Par exemple, lorsque le relais était neuf, il avait une limite de 1,15, mais après 8 ans dans l’environnement chaud de l’armoire, il est probable qu’elle change à 1,30. Il est courant de vérifier le relais thermique une fois par an en introduisant 1,5 fois le courant. Cette vérification prend environ dix minutes par relais avec l’appareil de test approprié.
Les relais électroniques conservent beaucoup mieux la calibration et offrent des fonctionnalités supplémentaires qui résolvent des problèmes réels. La mémoire thermique des relais électroniques empêche le cycle de redémarrage et de tentative qui endommage les enroulements. La capacité de détection de perte de phase permet aux relais électroniques de capturer la surcharge la plus nuisible possible pour le moteur puisque, en démarrant sur deux phases, le moteur tirera environ 1,7 à 2 fois la puissance à dix pôles dans les enroulements restants tandis que la troisième n’est pas active, et un simple relais bimétal à trois éléments sera trop lent car seuls 2 éléments peuvent être chauffés.
Quant aux contacteurs, il est inutile de dépasser le relais si le contacteur ne supporte pas la tâche. Le contacteur AC EXC7 de HUYU est classé pour un service moteur AC-3 avec la catégorie d’utilisation imprimée sur la plaque signalétique, et faire correspondre cette catégorie à la tâche de commutation réelle est plus important que de faire correspondre la valeur en ampères, qui est le chiffre que la plupart des acheteurs comparent.
Adapter le dispositif à la charge
Les ventilateurs et systèmes de pompage qui démarrent à vide sont un cas simple ; Classe 10, FLA de la plaque signalétique avec utilisation de la compensation ambiante est suffisant.
Les convoyeurs et compresseurs à vis fonctionnent en charge mais démarrent contre un couple. La classe 20 est applicable pour un moteur NEMA avec un facteur de service de 1,15. Dans ce cas, le réglage est au FLA de la plaque signalétique lorsque le moteur est chargé en mode de fonctionnement normal.
Les pompes submersibles, compresseurs frigorifiques hermétiques et tous les systèmes entraînés par variateur démarrent avec un jeu de classe 10 ou 10A. Le variateur limite le courant de démarrage, faisant que le relais de surcharge protège contre un événement thermique lent plutôt que le démarrage ; une classe plus rapide offre une meilleure protection des enroulements sans déclenchements intempestifs.
Les concasseurs, les broyeurs et les grands ventilateurs à tirage induit ont une masse tournante importante, ce qui nécessite de 20 à 60 secondes pour l'accélération. La classe 30 existe pour de tels processus. Lorsque la charge est réellement aussi lourde, le mode de défaillance à surveiller n'est pas le déclenchement mais le contacteur maintenant un moteur bloqué au courant de rotor bloqué pendant une minute à la fois, et les symptômes de cet abus apparaissent bien avant que le moteur ne tombe en panne, comme ce guide sur les symptômes de défaillance du contacteur le décrit.
Réglage du cadran : les chiffres importants
Le NEC 430.32 limite les réglages de surcharge à 125 % du courant nominal en charge pleine d’un moteur pour les moteurs ayant soit une élévation de température de 40 °C ou moins, soit un facteur de service de 1,15 ou plus. Sinon, la limite est fixée à 115 %. Selon le tableau 430.32(A)(1), 140 % et 130 % peuvent être utilisés respectivement lorsque le moteur ne démarre pas au réglage inférieur.
Réglez le cadran sur le courant nominal du moteur indiqué sur la plaque signalétique plutôt que sur le courant de déclenchement et la capacité nominale. Un relais de 7,5 à 11 A réglé à 10 A ne déclencherait pas à 10,5 A mais déclencherait à 12 A en deux heures. Par exemple, si un ampèremètre pince mesure un courant de fonctionnement de 9,6 A, le réglage est correct et ne nécessite pas d’ajustements supplémentaires. Si la lecture est de 10,8 A, indiquant un problème de charge, augmenter simplement la lecture du cadran à 12 A entraînera des complications supplémentaires.
Le réglage pour la température ambiante vient en second lieu. Un relais compensé pourra fonctionner dans une plage de −20 °C à +60 °C sans être ajusté. Un relais non compensé installé à côté d’un contacteur de 300 A aurait été réglé trop bas de 10 % et des ajustements compensatoires auraient été effectués simplement en tournant le cadran vers le haut, ce qui n’est pas la bonne méthode pour corriger le réglage.
Erreurs qui compromettent la protection
L’erreur fréquente est d’utiliser un élément chauffant trop grand. Lorsqu’un relais conçu pour un moteur consommant 40 A fonctionne avec un dispositif nécessitant 32 A, il fonctionne à 80 % du niveau correct et ne se déclenche pas, ce qui signifie qu’il ne fournit pas de protection jusqu’à ce que la bobine de commande ait brûlé.
L’autre problème concerne les dispositifs à réarmement automatique utilisés pour les équipements distants. Bien que l’utilisation de dispositifs à réarmement automatique sur une pompe qui s’arrête une fois par saison soit acceptable, les faire activer toutes les 90 secondes avec un convoyeur bloqué aggrave la situation par rapport au blocage lui-même.
De plus, les personnes contournent souvent les contacts 95–96 lors de l’installation parce que le démarreur ne parvient pas à se verrouiller en position et ne le remettent même pas en marche après cela. Bien que le relais ait été correctement calibré, il ne fonctionne plus correctement. Il est conseillé de vérifier le système de temps en temps pour s’assurer que la protection contre les surcharges n’est pas connectée à la bobine défectueuse et tester le système avec un appareil de mesure n’est pas une mauvaise idée non plus.
FAQ
La protection contre les surcharges est-elle la même chose qu’un parasurtenseur ?
Non, ni ne peuvent être utilisés de manière interchangeable. Un parasurtenseur capte un pic de tension transitoire qui se produit en microsecondes et ne gère pas du tout le courant. La protection contre les surcharges agit après une exposition à un courant excessif soutenu pendant des secondes ou des minutes. Un tableau peut et doit généralement comporter les deux, et la manière dont ils interagissent à une entrée de service est couverte dans la comparaison de un disjoncteur versus un parasurtenseur.
Quelle est la forme la plus simple de protection contre les surcharges ?
Un relais thermique de surcharge se compose d’un élément bimétallique connecté en série avec la bobine du contacteur via le contact 95-96. Il y a deux fils pour l’entrée et la sortie chacun, ainsi que le bouton de réglage du courant et un bouton de réarmement manuel. Il ne nécessite aucune source d’alimentation auxiliaire ni configuration, ce qui explique pourquoi il reste un premier choix pour les démarreurs à usage général.
Que signifie “ pas de protection contre les surcharges ” ?
Cela suggère que le circuit est protégé uniquement contre les courts-circuits et les défauts à la terre. Un disjoncteur magnétique ou un groupe de fusibles maintiendra un moteur fonctionnant à 150% de son courant nominal en continu puisque 150% est assez éloigné du point de déclenchement magnétique. Malheureusement, le moteur échouera, mais il échouera thermiquement plutôt que de manière dramatique.
Que fait un protecteur contre les surcharges ?
Il surveille le courant électrique, simule la chaleur générée dans l’enroulement du circuit moteur électrique, et déconnecte le circuit de commande lorsque la chaleur dépasse la limite de l’enroulement. L’action de sortie n’implique pas le déclenchement des contacts principaux mais seulement la coupure de la bobine du contacteur, ainsi le contact de surcharge est câblé dans le circuit de commande plutôt que dans le circuit de puissance.
Références
- ABB — Portefeuille de démarrage et protection moteur
- Rockwell Automation — Contrôle moteur Allen-Bradley
- NFPA 70 — Code électrique national, Article 430
- UL 508 — Équipement de contrôle industriel
- Electrical Engineering Portal — Référence protection moteur
Conclusion
La protection thermique contre les surcharges est considérée comme un composant matériel. L’appareil doit pouvoir supporter un courant de démarrage de 600% et doit pouvoir répondre à une charge augmentant de plus de 40% au-dessus de la normale en quelques secondes. Le numéro de classe indique la tolérance de l’appareil tandis que le cadran de courant indique ce qui est considéré comme normal et le NEC 430.32 indique les limites supérieures pour les deux.
Si ces trois paramètres sont corrects, l’appareil importe peu. Cependant, si ces trois paramètres sont erronés, le relais le plus coûteux ne protégera pas du tout, ce qui est une situation qui ne peut apparaître sur les schémas même lorsque le tableau est entièrement équipé de contacts 95–96 correctement calibrés et réglés.
