Choix et coordination du relais de protection moteur

La durée de vie d'un moteur électrique dépend en grande partie du choix correct de l'équipement électrique qui l'alimente et le protège. Quelle que soit la qualité du moteur lui-même, s'il n'existe pas un dispositif de protection adapté contre les défauts tels que la surcharge, la perte de phase, le déséquilibre de tension, le court-circuit ou la fuite à la terre, le moteur finira tôt ou tard par être endommagé. Le relais de protection moteur intervient précisément à ce stade : il surveille le moteur en permanence, ouvre le circuit dès qu'il détecte une situation anormale et protège à la fois le moteur et l'installation. Dans cet article, nous abordons le choix du relais de protection moteur, son réglage, sa compatibilité avec le fusible et le contacteur ainsi que la coordination entre les éléments de protection, avec l'expérience de terrain de DRG Motor.

Qu'est-ce qu'un relais de protection moteur ?

Le relais de protection moteur est un appareil de protection qui surveille le courant allant au moteur et, si nécessaire, la tension, et qui coupe le circuit de commande lorsque les limites définies sont dépassées. Il en existe une large gamme, des relais thermiques classiques aux relais de protection numériques à microprocesseur. L'objectif fondamental est de protéger le moteur contre les contraintes électriques et thermiques.

Pourquoi la protection du moteur est-elle nécessaire ?

Les moteurs électriques ne peuvent pas se protéger eux-mêmes dans des situations imprévues ; ils continuent à appeler du courant en surcharge et à tourner en forçant lors d'une perte de phase. Ces situations élèvent rapidement la température du bobinage et dégradent l'isolation. Sans un dispositif de protection correct, un simple défaut peut se transformer en un remplacement de moteur coûteux. Pour examiner le principe de fonctionnement de base du moteur, vous pouvez consulter notre article qu'est-ce qu'un moteur électrique.

Principaux types de défauts

Les défauts électriques qui menacent un moteur se regroupent sous quelques rubriques principales : surcharge (contrainte thermique), perte de phase, erreur d'ordre des phases, déséquilibre de tension, court-circuit et fuite à la terre. Chaque type de défaut est traité par un appareil de protection différent ou par une fonction différente du relais.

Le point commun de ces défauts est que la plupart se développent sans donner d'avertissement visible. Tandis que la surcharge élève lentement la température du bobinage, la perte de phase peut atteindre un point dangereux en quelques secondes ; le court-circuit, lui, produit instantanément des courants très élevés. En raison de ces échelles de temps différentes, un seul appareil de protection ne peut pas répondre à tous les défauts. C'est pourquoi un circuit moteur bien conçu se compose d'éléments de protection complémentaires, chacun axé sur un danger différent. Cette approche par couches permet au moteur de rester en sécurité dans tous les scénarios.

Fonctions de protection et correspondance des appareils

Le tableau suivant résume les principaux types de défauts et les éléments de protection qui y répondent. Les relais de protection moteur numériques modernes réunissent la majeure partie de ces fonctions dans un seul appareil.

Principe de fonctionnement du relais thermique

Le relais thermique de surcharge surveille le courant moteur au moyen de bandes bimétalliques. Lorsque le courant dépasse la valeur nominale, le bimétal s'échauffe et se déforme, puis ouvre le contact de commande au bout d'un certain temps. Cette durée dépend de l'amplitude du courant : plus le courant est élevé, plus le déclenchement est rapide. Ce comportement est appelé protection « à temps inverse » car il imite le comportement thermique réel du moteur.

Le réglage correct du relais thermique

Le relais thermique est réglé selon le courant nominal du moteur (courant de plaque). La valeur de réglage est généralement choisie égale ou très proche du courant de pleine charge du moteur. S'il est réglé trop haut, le moteur n'est pas suffisamment protégé ; s'il est réglé trop bas, des déclenchements inutiles se produisent à charge normale. Le réglage correct se fait en prenant pour base la valeur de courant indiquée sur la plaque du moteur.

Lors du réglage, la température ambiante dans laquelle le moteur fonctionne est également prise en compte. Le refroidissement d'un moteur fonctionnant dans un environnement chaud étant plus difficile, la protection peut être réglée un peu plus finement. En outre, la température à l'intérieur de l'armoire où se trouve le relais lui-même peut influencer le comportement du bimétal ; c'est pourquoi les relais compensés en température (indépendants de la température ambiante) sont préférés dans les applications critiques. Une fois la valeur de réglage déterminée, la mesure du courant de fonctionnement réel du moteur lors de la mise en service et la confirmation du réglage d'après cette mesure évitent les déclenchements erronés.

L'importance de la protection contre les surcharges

La surcharge est la cause la plus fréquente des pannes de moteur. Un blocage mécanique, une augmentation de charge ou l'usure d'un palier amène le moteur à appeler un courant excessif. La protection contre les surcharges met le moteur hors circuit dans ces situations et empêche ainsi le bobinage de brûler. C'est la fonction fondamentale du relais thermique.

Protection contre la perte de phase

Lorsque l'une des phases disparaît sur un moteur triphasé, les deux phases restantes appellent un courant excessif et le moteur s'échauffe rapidement. Cette situation peut brûler le bobinage en quelques minutes. La protection contre la perte de phase met le moteur hors circuit instantanément dans un tel cas. Les relais de protection modernes intègrent cette fonction en standard.

Protection contre le déséquilibre de tension

L'écart de tension entre les phases entraîne un échauffement supplémentaire et une perte de rendement dans le moteur. Même un faible déséquilibre peut augmenter sensiblement la température du bobinage. L'effet du déséquilibre de tension est sérieux ; c'est pourquoi les relais dotés d'une protection contre le déséquilibre sont préférés.

Protection contre les courts-circuits

Le court-circuit est la circulation soudaine de courants très élevés et il peut causer de gros dégâts en quelques millisecondes. Le relais thermique ne peut pas réagir aussi vite ; pour la protection contre les courts-circuits, on utilise un disjoncteur de protection moteur ou des fusibles adaptés. Ces éléments coupent le courant de court-circuit en un temps très bref et protègent ainsi le moteur comme les câbles.

Lors du choix de l'élément de protection contre les courts-circuits, celui-ci doit avoir une capacité (pouvoir de coupure) suffisante pour couper en toute sécurité le courant de court-circuit le plus élevé pouvant apparaître dans le circuit. Un élément dont le pouvoir de coupure est insuffisant peut lui-même être endommagé lors d'un court-circuit important et ne plus remplir sa fonction de protection. C'est pourquoi la protection contre les courts-circuits est dimensionnée non seulement d'après le moteur, mais aussi d'après les caractéristiques de toute la ligne d'alimentation et du système de jeux de barres.

Protection contre la fuite à la terre

La dégradation de l'isolation du bobinage provoque une fuite de courant vers la carcasse. Cela crée un risque à la fois d'incendie et d'électrocution. La protection contre la fuite à la terre et une mise à la terre correcte éliminent ces risques. Le relais de courant de fuite détecte la fuite en surveillant la différence de courant entre la phase et le neutre.

Rotor bloqué et contrôle du temps de démarrage

Le moteur appelle un courant élevé au démarrage et normalement ce courant baisse rapidement. Si le rotor ne peut pas tourner en raison d'un blocage, le courant reste élevé ; on parle alors de rotor bloqué. Les relais de protection numériques détectent cette situation en surveillant le temps de démarrage et protègent le moteur. Sur le sujet du courant de démarrage, notre article courant de démarrage apporte des détails.

Le trio fusible-contacteur-relais

Un circuit d'alimentation moteur se compose typiquement de trois éléments de base : le fusible ou le disjoncteur qui assure la protection contre les courts-circuits, le contacteur qui met le moteur en marche et à l'arrêt, et le relais thermique qui surveille la surcharge. Lorsque ce trio fonctionne en harmonie, chaque type de défaut est traité par l'élément concerné. Le choix de l'armoire et du contacteur constitue la base de cette harmonie.

Choix du contacteur et compatibilité

Le contacteur est choisi selon le courant nominal du moteur et sa catégorie d'emploi (comme AC-3). Il doit avoir une capacité suffisante pour supporter le courant de démarrage du moteur et la fréquence des manœuvres. Un contacteur mal choisi subit des problèmes tels qu'une usure précoce et le collage de ses contacts.

Choix du type de fusible

Dans les circuits moteur, on utilise généralement des fusibles de caractéristique aM (protection moteur) ou gG. Les fusibles aM supportent le courant de démarrage élevé du moteur tout en assurant un déclenchement rapide en cas de court-circuit. La valeur du fusible est choisie de manière à ne pas déclencher sous le courant de démarrage tout en protégeant en cas de court-circuit.

Qu'est-ce que la sélectivité ?

La sélectivité est le principe selon lequel, en cas de défaut, seul l'élément de protection le plus proche du défaut s'ouvre, tandis que les éléments de protection du niveau supérieur restent en service. Ainsi, un défaut sur un moteur ne coupe pas l'énergie de toute l'installation ; seul le moteur concerné est mis hors service. C'est un point critique pour la continuité de l'exploitation.

La logique de la coordination

La coordination des protections fait concorder les caractéristiques de déclenchement des éléments de protection des différents niveaux. Le relais du niveau inférieur doit s'ouvrir plus vite que le disjoncteur du niveau supérieur. Lorsque cette hiérarchie est correctement établie, l'élément le plus proche du point de défaut coupe le circuit et les coupures étendues inutiles sont évitées.

Pour établir correctement la coordination, les courbes temps-courant des éléments de protection doivent être évaluées ensemble. Dans un circuit moteur, le relais thermique situé près du moteur répond aux surcharges à faible courant, tandis que le disjoncteur du niveau supérieur coupe les courts-circuits à courant élevé. Le fait que les deux courbes ne se chevauchent pas garantit que chaque défaut est traité par le bon élément et dans le bon ordre. Si une installation compte des dizaines de moteurs, cette coordination est pensée sur toute la hiérarchie des armoires ; une sélectivité cohérente est établie entre l'arrivée principale, la distribution et les départs moteur.

Coordination de type 1 et de type 2

Les normes classent la coordination selon le comportement des éléments de protection en cas de court-circuit. Dans la coordination de type 1, le contacteur et le relais peuvent être endommagés mais sans nuire à leur environnement. Dans la coordination de type 2, ces éléments restent réutilisables après le défaut. Dans les installations critiques, la coordination de type 2 est préférée.

Avantages des relais de protection numériques

Les relais numériques à microprocesseur réunissent de nombreuses fonctions de protection dans un seul appareil ; leur précision de réglage est élevée et ils peuvent conserver des enregistrements de défauts. Comme ils peuvent indiquer quel défaut s'est produit et à quel moment, ils facilitent les processus de maintenance et de diagnostic. Ils sont plus souples et plus informatifs que le relais thermique classique.

Un autre avantage important de ces relais est qu'ils peuvent calculer l'état thermique du moteur à partir d'un modèle logiciel. Le relais estime l'échauffement du bobinage en suivant le courant de fonctionnement passé du moteur ; il tient ainsi compte de la chaleur accumulée lors de démarrages successifs. Grâce à cette mémoire thermique, un moteur qui s'arrête et redémarre à de courts intervalles est protégé selon son état thermique réel. De plus, de nombreux relais numériques peuvent être raccordés à un système de supervision centralisé via une liaison de communication ; cela rend possible la surveillance à distance des moteurs et la détection précoce des défauts dans les grandes installations.

Protection du moteur par thermistance (PTC)

Sur certains moteurs, des thermistances PTC sont noyées directement dans les bobinages. Ces capteurs mesurent directement la température du bobinage et, lorsqu'une certaine température est atteinte, arrêtent le moteur par l'intermédiaire d'un relais. Contrairement à la protection basée sur le courant, comme elle surveille la température réelle du bobinage, c'est l'une des méthodes de protection thermique les plus fiables.

Protection avec un variateur de fréquence

Si le moteur est entraîné par un variateur de fréquence, le variateur intègre lui-même de nombreuses fonctions de protection. Cela ne signifie pas pour autant que la protection externe est inutile. Le variateur et les relais de protection se complètent. L'utilisation d'un variateur de fréquence influence également la stratégie de protection.

Protection dans les circuits étoile-triangle

Dans les circuits utilisant un démarrage étoile-triangle, placez le relais thermique au bon endroit et réglez-le selon la valeur de courant. Dans une structure de couplage étoile-triangle, le relais est réglé à une valeur différente selon qu'il mesure le courant de phase ou le courant de ligne.

La protection dans les applications industrielles

Des applications différentes comme les grues, les convoyeurs, les pompes et les ventilateurs exigent des approches de protection différentes. Par exemple, les réglages de protection sont différents pour un moteur de grue à démarrages fréquents et pour un moteur de convoyeur fonctionnant en continu. De manière générale, pour les moteurs électriques industriels, la protection est déterminée selon le profil de charge de l'application.

L'effet des harmoniques sur la protection

Les harmoniques qui apparaissent dans les systèmes à variateur peuvent influencer la mesure du courant et donc le comportement du relais de protection. Les effets des harmoniques rendent nécessaire l'utilisation de relais mesurant la valeur efficace vraie (RMS).

Étapes du choix d'un relais de protection

Le choix correct d'un relais de protection commence par les données techniques du moteur. On détermine d'abord le courant nominal, la puissance, le courant de démarrage et la catégorie de service du moteur. Ensuite, on énumère les fonctions de protection exigées par l'application : la seule protection contre les surcharges suffit-elle, ou faut-il aussi des protections contre la perte de phase, le déséquilibre et la fuite à la terre ? Une fois ces besoins définis, on choisit un relais couvrant les fonctions nécessaires et correspondant à la plage de courant du moteur. À la dernière étape, la compatibilité entre le relais, le contacteur et le fusible est vérifiée ; les tableaux de coordination des fabricants servent de guide pour cet appariement.

Erreurs fréquentes et moyens de les éviter

Les erreurs les plus fréquentes sur le terrain sont : le réglage du relais thermique sur un courant erroné, le choix d'un contacteur insuffisant, l'omission de la protection contre la perte de phase et le fait de négliger la coordination. Chacune de ces erreurs conduit à une panne prématurée du moteur ou à des coupures inutiles.

Test et maintenance périodiques

Le test régulier des éléments de protection garantit qu'ils fonctionneront comme prévu au moment d'un défaut réel. Le contrôle des réglages du relais, l'examen de l'état des contacts et l'activation des fonctions de test sont les trois opérations qui maintiennent le dispositif de protection fiable.

Les éléments de protection peuvent rester des années sans jamais déclencher ; c'est pourquoi on ne peut savoir s'ils fonctionnent réellement que par des tests périodiques. Pendant le test, la fonction de déclenchement du relais est essayée, les contacts du contacteur sont examinés du point de vue de l'usure et le serrage des bornes de raccordement est contrôlé. Une borne desserrée peut s'échauffer avec le temps et provoquer à la fois une erreur de mesure et un risque d'incendie. L'enregistrement de ces contrôles permet de suivre l'état du dispositif de protection dans le temps et de voir tôt les dégradations éventuelles.

Les apports d'un dispositif de protection correct

Un dispositif de protection bien choisi et correctement coordonné allonge la durée de vie du moteur, réduit les coupures imprévues, améliore la sécurité d'exploitation et diminue les coûts de maintenance à long terme. La protection n'est pas un poste de dépense, mais une assurance qui garantit l'investissement réalisé dans le moteur.

Des applications moteur sûres avec DRG Motor

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