PROTECTION CONTRE les SURINTENSITES des MOTEURS ASYNCHRONES TRIPHASES

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1 1 But de la protection des moteurs Les protections des moteurs électriques contre les surintensités (surcharges et courts-circuits) ont pour but d éviter un échauffement excessif du moteur, du à l absorption d un courant trop élevé et pouvant entraîner sa destruction. 2 Causes possibles de surintensités Les causes de surintensités sont multiples parmi celles-ci on peut citer : surcharge mécanique de la machine entraînée (augmentation du couple résistant), surcharge mécanique du moteur lui-même (roulements à billes défectueux par exemple) démarrage trop long (inertie importante de l ensemble entraîné), démarrage trop fréquent (pianotage), marche en monophasée (coupure d une phase suite à la fusion d un fusible par exemple), baisse de tension, blocage au démarrage, court-circuit. 3 Réglage correct du relais thermique C est l intensité nominale du moteur. Un réglage supérieur ou inférieur est une mauvaise solution : trop bas, il ne permet pas la pleine utilisation du moteur, trop haut, le relais n assure aucune protection. En général les relais thermiques sont compensés, en effet, une bilame de compensation se déforme en fonction de la température ambiante et apporte la correction nécessaire afin que le relais déclenche à l intensité affichée. 4 Relais thermique simple Le relais thermique doit laisser passer les surcharges, de démarrage ou en service normal, mais doit donner l ordre de coupure dès que l intensité atteint une valeur susceptible de mettre en danger le moteur. Le relais thermique est caractérisé par son intensité nominale In et il est réglable de 0,65 à 1In. Voir page suivante Jean-Marie BEAUSSY Page 1 26/01/2009

2 Temps 2h Zone d'action du relais thermique Zone d'action du DPCC Fusible HPC type am Limite de contrainte thermique Pouvoir de coupure du contacteur 1,05 Icc Multiples de Ir normal Surcharges court-circuit La norme précise la tolérance sur le déclenchement : 1,05 Id < 1,25Ir En pratique, pour un relais thermique à simple bilame, le courant de non-déclenchement vaut environ 1,1Irth. Le déclenchement se produit pour 1,2In en 15 ou 20 minutes. Le relais thermique doit permettre le passage de pointes. Pour un moteur qui démarre en direct le relais thermique de la classe 10 ou 10A, le couple temps/courant est : 4Ir A froid pendant 6 à 10 s A chaud pendant 2s La classe des relais thermiques sera fonction de la durée de démarrage des moteurs électriques. Le tableau ci-dessous indique le temps de déclenchement à partir de l état froid en fonction de la classe du relais et du courant qui le traverse : Classe du relais thermique 1,05Ir 1,2Ir 1,5Ir 7,2Ir Temps de déclenchement à partir de l état froid 10A > 2 h < 2 h < 2 mn 2 t 10 s 10 > 2 h < 2 h < 4 mn 4 t 10 s 20 > 2 h < 2 h < 8 mn 6 t 20 s 30 > 2 h < 2 h < 12 mn 9 t 30 s Jean-Marie BEAUSSY Page 2 26/01/2009

3 5 Courbes de déclenchement normalisées Temps 2h 10 mn 4 mn 2 mn Classe 30 Classe 20 Classe ,05 1,2 1,5 7,2 17 Multiples de Ir 6 Conception et fonctionnement d un relais thermique L'élément thermique est composé de deux métaux (nickel et fer, chrome et fer.) intimement assemblés par laminage à froid et ayant des coefficients de dilatation linéaire différents. L'échauffement dû au passage du courant de surcharge provoque la déformation du bilame. Cette déformation se produit du côté du métal ayant le plus faible coefficient de température. Le bilame entraîne une barrette de déclenchement qui ouvre le contact situé dans le circuit de commande du contacteur. Les bilames réalisent une protection dite à temps inverse : plus le courant de surcharge est important, plus est réduite la durée du déclenchement et vice-versa. Il existe plusieurs modes de chauffage du bilame : Le chauffage direct correspond au cas ou le bilame est chauffé directement par le passage du courant. Le chauffage indirect correspond au cas ou le bilame est chauffé par un enroulement résistant luimême parcouru par le courant. Généralement, il s'agit d'un fil ou d'un ruban étroit enroulé en hélice sur une gaine isolante qui entoure le bilame pour éviter de court-circuiter le fil. La compensation des variations de la température ambiante est obtenue en ajoutant un autre bilame qui neutralise l'influence des variations du bilame principal traversée par le courant de surcharge. En outre certains relais thermiques comportent un dispositif spécial ayant pour but de sensibiliser les relais lors de la marche accidentelle en monophasé. Ces relais thermiques sont dits "relais différentiels". Jean-Marie BEAUSSY Page 3 26/01/2009

4 Le relais thermique (organe de détection de la surcharge) est toujours associé à un contacteur (commande). Cette configuration se nomme un discontacteur. Le pouvoir de coupure d'un discontacteur est de l'ordre de 8In. Cette valeur est trop faible pour couper les courants de court-circuit dont la valeur peut atteindre plusieurs milliers d'ampères. Il est donc nécessaire d'associer à cet ensemble un dispositif complémentaire qui sera capable de maîtriser de tels courants. Ce dispositif devra avoir deux fonctions principales : Laisser passer la pointe d'intensité pendant la durée du démarrage du moteur. Protéger contre les courts-circuits le discontacteur Le constructeur indique sur ces courbes la limite de destruction du relais. Note : Dans une certaine mesure, les fusibles HPC associés assurent également une protection contre les contacts indirects, d où l importance de ne pas remplacer les fusibles existants lors de l étude par des fusibles d un calibre plus élevé. 7 Choix de la bonne coordination Pour répondre à ces objectifs, les constructeurs proposent des associations soit avec des disjoncteurs, soit avec des fusibles à Haut Pouvoir de Coupure (HPC). Le dispositif de protection contre les courtscircuits (DPCC) doit être parfaitement coordonné avec le dispositif de protection contre les surcharges. Les normes CEI et , définissent 3 types de coordination qui précisent les degrés de destruction acceptables pour les appareillages concernés après court-circuit et les niveaux de service attendus. Cette règle de coordination est sous l'entière responsabilité du constructeur du relais. Le constructeur donne dans ces catalogues des tableaux d association permettant de faire le bon choix : 7.1 Définition des coordinations Coordination de type 1 s applique aux départs moteurs des machines simples, pouvant supporter des arrêts plus ou moins importants. Après un court-circuit : le contacteur et le relais peuvent être endommagés, avant de redémarrer, la remise en état du départ moteur peut s avérer nécessaire. Coordination de type 2 s adresse plus particulièrement aux applications industrielles de processus continus supportant des arrêts limités. Après un court-circuit : aucun dommage, ni déréglage ne sont autorisés, le «collage» des contacts du contacteur est admis s ils sont facilement séparables, l isolement doit être conservé après incident, la remise en service est assujettie à l inspection du départ moteur. Coordination totale (ou continuité de service) est réservée aux processus continus nécessitant un redémarrage immédiat des moyens de production, sans précautions particulières. Après court-circuit : aucun dommage, ni déréglage ne sont acceptés,, l isolement doit être conservé après incident, la remise en service est immédiate sans précaution particulière. Jean-Marie BEAUSSY Page 4 26/01/2009

5 7.2 Règle adoptée Pour garantir la sécurité des personnes, la protection des biens, réduire les pertes de production, limiter les temps d arrêt des moteurs ainsi que les coûts des réparations, au plus juste niveau toléré par les exploitants, il faut coordonner les protections en associant, de façon sélective, les appareils entre eux. En ce qui concerne notre site industriel, nous avons opté pour la coordination de type 2. Celle-ci est réalisée comme suit : sectionneur fusible équipé de fusibles HPC de type «am», Contacteur (en règle générale 25A en catégorie AC3 pour les faibles calibres), Relais thermique compensé et différentiel. Grâce à ses qualités exceptionnelles de limitation, le fusible HPC est le meilleur limiteur de courant de court-circuit. Il est tout à fait indiqué pour être ce Dispositif de Protection contre les Courts-Circuits. Le choix du fusible doit être effectué en fonction de la coordination recherchée. La coordination «fusible relais» est réalisée en règle générale avec des fusibles HPC du type am (accompagnement moteur). Je ne reviens pas sur les fusibles HPC (gg et am) qui ont fait l objet d un autre document, vous vous y reporterez si nécessaire. Vous trouverez à la page suivante un tableau extrait du catalogue SCHNEIDER ELECTRIC qui illustre les propos précédents. Remarques : Le tableau donné par le constructeur (page A45 du catalogue constructeur) a été établi pour des moteurs asynchrones triphasés 1500tr/mn, pour une fréquence de démarrage et pour une durée de démarrage courante, c'est-à-dire : 1 ou 2 démarrages par jour à 6 à 8 In dont la durée ne dépasse pas 6s. Pour des fréquences de démarrages plus élevées de l'ordre de 5 par jour, il est conseillé de choisir un calibre immédiatement supérieur à celui préconisé dans le tableau. Lorsque le moteur a une vitesse de 3000tr/mn, le calibre à retenir est celui du tableau multiplié par un coefficient compris entre 0,8 et 0,95. Pour un moteur fonctionnant à 750tr/mn, le coefficient multiplicateur sera compris entre 1,1 et 1,4. Ce document est mis uniquement à la disposition du personnel électricien. Lorsque certains moteurs sont appelés à démarrer ou à être freinés fréquemment, il peut être difficile de réaliser une protection contre les surcharges dont la constante de temps s accorde avec celle du moteur à protéger (les moteurs utilisés pour les déplacements rapides, le blocage, le renversement rapide, le perçage sensitif, etc. entrent dans cette catégorie). On peut alors se contenter d une protection contre les courts-circuits. Cependant si la puissance est supérieure à 2kW, il est recommande d utiliser une protection par éléments thermosensibles incorporés dans le moteur. Quand une situation dangereuse peut résulter de la remise en marche automatique du moteur après le fonctionnement d un dispositif de déclenchement (par exemple après refroidissement d un élément de déclencheur thermique) des mesures appropriées doivent être prises pour éviter un tel danger. Ces quatre dernières remarques sont essentiellement du domaine de compétence du service électrique dans le cadre de la maintenance et du bureau d étude lors de la conception des installations électriques. Jean-Marie BEAUSSY Page 5 26/01/2009

6 8 Choix à partir du catalogue constructeur EXTRAIT DU CATALOGUE TELEMECANIQUE Relais de protection thermique différentiels classe 10 A Coordination de type 2 Relais de protection thermique : compensés à réarmement manuel ou automatique avec visualisation du déclenchement pour courant continu ou alternatif 1 400/415V Fusibles am Référence Relais thermique P(kW) Ie(A) Taille Calibre Contacteur Référence Domaine de réglage 0,06 0,22 14x51 2 LC1-D09 LRD-02 0,16...0,25 2 0,09 0,36 0,12 0,42 14x51 2 LC1-D09 LRD-04 0,4...0,63 0,18 0,6 0,25 0,88 18,5 14x51 40 LRD T3 630 LC1-F630 LR9-F Choix des fusibles HPC Ce tableau est à deux entrées 1 A partir de la référence du relais LRD-3355 FUSIBLE am 40A 2 A partir de la puissance du moteur et connaissant la tension du réseau P = 18,5 kw, U = 410V FUSIBLE am 40A Jean-Marie BEAUSSY Page 6 26/01/2009

7 9 Mise en évidence du non-respectt du calibre des HPC Coordination fusible HPC/Relais thermique Fusible HPC recommandé par le constructeur Fusible am 4A Fusible am 6A Fusible am 8A Fusible am 10A Seuil de destructrution du relais thermique Limite de la contrainte thermique Jean-Marie BEAUSSY Page 7 26/01/2009

8 A146 Protection des moteurs Coordination type 1 (IEC ) Disjoncteurs NS80H-MA contacteurs et relais thermiques Schneider Electric démarrage direct inverseur de sens de marche performance de coupure "Iq" : égale au pouvoir de coupure du disjoncteur. démarrage (1) : normal LR2 classe 10 A, LR9 classe 10. moteurs disjoncteurs contacteurs (3) relais thermique 220/230 V 380 V 415 V 440 V (2) 500/525 V 660/690 V P I P I P I P I P I P I type calibre type type Irth (1) (kw) (A) (kw) (A) (kw) (A) (kw) (A) (kw) (A) (kw) (A) (A) (A) 0,37 1,2 0,37 1,1 0,37 1 0,55 1,2 0,75 1,2 NS80H-MA 2,5 LC1-D09 LRD-06 1/1,6 0,55 1,6 0,55 1,5 0,55 1,4 0,75 1,5 1 1,5 NS80H-MA 2,5 LC1-D09 LRD-06 1/1,6 0,37 1,8 0,75 3 0,75 1,8 0,75 1,7 NS80H-MA 2,5 LC1-D09 LRD-07 1,6/2,5 1,1 2,4 1,1 2 1,5 2 NS80H-MA 2,5 LC1-D09 LRD-07 1,6/2,5 0,55 2,8 1,1 2,8 1,1 2,5 1,5 2,6 2,2 2,8 NS80H-MA 6,3 LC1-D09 LRD-08 2,5/4 1,5 3,7 1,5 3,5 1,5 3,1 3 3,8 NS80H-MA 6,3 LC1-D09 LRD-08 2,5/4 1,1 4,4 2,2 5 2,2 4,8 2,2 4, ,9 NS80H-MA 6,3 LC1-D09 LRD-10 4/6 1,5 6,1 3 6,6 3 6,5 3 5,8 4 6,5 5,5 6,6 NS80H-MA 12,5 LC1-D09 LRD-12 5,5/8 2,2 8,7 4 8,5 4 8,2 4 7,9 5,5 9 NS80H-MA 12,5 LC1-D09 LRD-14 7/10 7,5 8,9 NS80H-MA 12,5 LC1-D12 LRD-14 7/ ,5 5,5 11,5 5,5 11 5,5 10,4 7,5 12 NS80H-MA 12,5 LC1-D12 LRD-16 9/ ,5 7,5 15,5 7,5 14 7,5 13, NS80H-MA 25 LC1-D18 LRD-21 12/ , NS80H-MA 25 LC1-D18 LRD-21 12/ ,5 NS80H-MA 25 LC1-D18 LRD-16 9/13 5, , ,4 NS80H-MA 25 LC1-D25 LRD-22 16/ NS80H-MA 25 LC1-D25 LRD-21 12/18 18,5 21,3 NS80H-MA 50 LC1-D32 LRD-22 16/24 7, ,5 18,5 28,5 NS80H-MA 50 LC1-D32 LRD-32 23/ ,6 NS80H-MA 50 LC1-D40 LRD / , NS80H-MA 50 LC1-D40 LRD / NS80H-MA 50 LC1-D50 LRD / ,5 NS80H-MA 50 LC1-D50 LRD / NS80H-MA 50 LC1-D65 LRD /50 18, NS80H-MA 80 LC1-D65 LRD / NS80H-MA 80 LC1-D65 LRD / NS80H-MA 80 LC1-D80 LRD / NS80H-MA 80 LC1-D80 LRD / NS80H-MA 80 LC1-D115 LR9-D / LC1-F115 LR9-F /80 (1) Pour utilisations avec relais de classe 30, un déclassement de 20 % doit être appliqué sur les disjoncteurs. (2) Applicable pour 480 V NEMA. (3) Inverseur de sens de marche : remplacer LC1 par LC2. Nota : quand plusieurs associations sont possibles pour une puissance de moteur donnée, si le courant de démarrage est élevé ou inconnu, l'association la plus grande devra être utilisée. Guide de la distribution électrique basse tension et HTA

9 Démarreurs directs avec interrupteur et relais thermique n Solution "3 produits" en coordination type 2 A45 1 De 0,06 à 315 kw sous 400/415 V Interrupteurs-sectionneurs : c GS1 : voir page A366 c cartouches-fusibles : voir page A375. Contacteurs : c LC1 D : voir page A214 c LC1 F : voir page A266. Pour 2 sens de marche, dans le tableau ci-dessous remplacer LC1 par LC2. Relais de protection thermique : c LR D : voir page A389 c LR9 F : voir page A397. GS1 F + LC1 D + LR D GS1 + LC1 F + LR9 F puissances normalisées des moteurs interrupteur- fusibles am contacteur relais de protection triphasés 50/60 Hz en catégorie AC-3 sectionneur taille calibre référence thermique 400/415 V 440 V 500 V (bloc nu) A (1) référence domaine P Ie P Ie P Ie référence de réglage kw A kw A kw A A 00,06 0,22 0,06 0,19 GS1 F 14 x 51 2 LC1 D09 LRD 02 0,16 0,25 0,09 0,28 GS1 F 14 x 51 2 LC1 D09 LRD 03 0,25 0,4 0,09 0,36 0,12 0,37 GS1 F 14 x 51 2 LC1 D09 LRD 04 0,4 0,63 0,12 0,42 0,18 0,6 0,18 0,55 GS1 F 14 x 51 2 LC1 D09 LRD 05 0,63 1 0,25 0,76 0,25 0,88 0,37 1 0,37 1 GS1 F 14 x 51 2 LC1 D09 LRD ,7 0,37 1 0,55 1,36 0,55 1,21 0,55 1,5 0,75 1,5 0,75 2 0,75 1,68 1,1 2 GS1 F 14 x 51 4 LC1 D09 LRD 07 1,6 2,5 1,1 2,37 1,1 2,5 1,5 3,06 1,5 2,6 GS1 F 14 x 51 4 LC1 D09 LRD 08 2,5 4 1,5 3,5 2,2 3,8 2,2 5 2,2 4, GS1 F 14 x 51 6 LC1 D09 LRD ,5 3 5,77 4 6,5 GS1 F 14 x 51 8 LC1 D09 LRD 12 5, ,4 4 7,9 5,5 9 GS1 F 14 x LC1 D09 LRD ,5 11 5,5 10,4 7,5 12 GS1 F 14 x LC1 D12 LRD ,5 14,8 7,5 13,7 9 13,9 GS1 F 14 x LC1 D18 LRD ,9 GS1 F 14 x LC1 D25 LRD , , ,4 GS1 F 14 x LC1 D25 LRD , ,5 18,5 28,5 GS1 F 14 x LC1 D32 LRD , ,5 32, GS1 F 14 x LC1 D40 LRD GS1 J 22 x LC1 D50 LRD ,5 GS1 J 22 x LC1 D50 LRD GS1 J 22 x LC1 D65 LRD GS1 J 22 x LC1 D65 LRD GS1 J 22 x LC1 D95 LRD GS1 J 22 x LC1 D80 LRD GS1 J 22 x LC1 D115 LR9 D GS1 J 22 x LC1 D95 LRD GS1 K 22 x LC1 D150 LR9 D GS1 L T0 160 LC1 D150 LR9 D GS1 N T1 200 LC1 F185 LR9 F GS1 N T1 250 LC1 F225 LR9 F GS1 QQ T2 315 LC1 F265 LR9 F GS1 QQ T2 315 LC1 F330 LR9 F GS1 QQ T2 400 LC1 F330 LR9 F GS1 QQ T2 400 LC1 F400 LR9 F GS1 QQ T2 500 LC1 F400 LR9 F GS1 S T3 500 LC1 F500 LR9 F GS1 S T3 630 LC1 F500 LR9 F GS1 S T3 630 LC1 F630 LR9 F GS1 V T4 800 LC1 F630 LR9 F (1) Pour 2 sens de marche, remplacer LC1 par LC2. Schneider Electric - Catalogue automatismes industriels 2001