1 Constituants de protection Généralités Protection des moteurs et des machines

1 Constituants de protection Généralités Protection des moteurs et des machines
Généralités
Constituants de protection
Protection des moteurs et des machines
Introduction
Le dépassement des limites de fonctionnement d’un moteur électrique conduit, à
plus ou moins long terme, à sa destruction mais aussi à celle des mécanismes qu’il
anime.
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Ce type de récepteur peut être le siège d’incidents d’origine électrique ou mécanique.
b Incidents d’origine électrique :
v surtension, chute de tension, déséquilibre, perte de phases qui provoquent des
variations sur le courant absorbé,
v courts-circuits dont le courant peut atteindre des niveaux destructeurs pour le
récepteur.
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b Incidents d’origine mécanique :
v calage du rotor,
v surcharge momentanée ou prolongée qui entraînent une augmentation du courant
absorbé par le moteur, d’où un échauffement.
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Le coût de ces incidents doit prendre en compte le manque à produire, les pertes de
matières premières, la remise en état de l’outil de production, la non-qualité de la
production et les retards de livraison.
Ces incidents peuvent avoir également des conséquences dramatiques sur la
sécurité des personnes en contact direct ou indirect avec le moteur.
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Pour s’affranchir de ces incidents, des protections sont nécessaires.
Elles permettent d’isoler du réseau le matériel à protéger par la mesure des
variations de grandeurs électriques (tension, courant, etc…).
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Chaque départ-moteur doit donc comporter :
b une protection contre les courts-circuits, pour détecter et couper le plus
rapidement possible des courants anormaux généralement supérieurs à 10 fois le
courant nominal (In).
b une protection contre les surcharges, pour détecter des augmentations du
courant jusqu’à environ 10 In et couper le départ avant que l’échauffement du moteur
et des conducteurs n’entraîne la détérioration des isolants.
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Ces protections sont assurées par des appareils spécifiques tels que des fusibles,
des disjoncteurs, des relais de surcharge ou par des appareils plus intégrés offrant
plusieurs types de protection.
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Généralités (suite)
Constituants de protection
Protection des moteurs et des machines
Les différentes causes de défauts et leurs conséquences
Les défauts sont de deux types :
b Les défauts d’origine interne au moteur.
b Les défauts d’origine externe : ils sont localisés en dehors du moteur électrique,
mais leurs conséquences peuvent entraîner des dégradations dans celui-ci.
Défauts
Court-circuit
Surtension
Déséquilibre et
perte de phase
Fréquence de
démarrage
élevée
Variations de
tension
Harmoniques
Démarrage long
Blocage
Origines
Effets
Conséquences sur le moteur
et sur la machine
Mise en contact de plusieurs phases,
d’une phase et du neutre ou de
plusieurs spires d’une même phase
b Foudre
b Décharge électrostatique
b Manœuvre
b Ouverture d’une phase
b Charge monophasée en amont du
moteur
b Court-circuit entre spires d’un
même enroulement
b Défaillance du système
d’automatisme
b Nombre de commandes manuelles
trop élevé
b Nombreux déclenchements sur
défaut
b Instabilité de la tension du réseau
b Branchement de fortes charges
b Pointe de courant
b Efforts électrodynamiques sur les
conducteurs
Claquage diélectrique au niveau des
enroulements
Destruction des enroulements
Pollution du réseau par des
variateurs de vitesse, des onduleurs,
etc….
b Couple résistant trop important
(charge trop élevée)
b Baisse de tension
b Problème mécanique (concasseur)
b Grippages
b Diminution du couple utile, du
rendement et de la vitesse
b Augmentation des pertes
b Démarrage impossible si perte de
phase
Echauffement statorique et rotorique
élevé dû au courant de démarrage
fréquent
Sur-échauffement (1)
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Sur-échauffement (1)
Conséquences sur le process
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b Diminution du couple utile
b Augmentation des pertes
Sur-échauffement (1)
b Diminution du couple utile
b Augmentation des pertes
Sur-échauffement (1)
Augmentation du temps de démarrage
Sur-échauffement (1)
Surintensité
Sur-échauffement (1)
Conséquences sur le process
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b Désamorçage de pompe
Baisse du courant absorbé
b Rupture mécanique d’entrainement
de la charge
Conséquences sur le process
Variation de
fréquence
b Surcharge réseau alimenté par
sources autonomes limitées
b Régulateur de vitesse d’alternateur
défectueux
b Augmentation du couple résistant
b Baisse de tension
b Baisse du facteur de puissance
b Augmentation des pertes
b Perturbe les appareils synchrones
(horloge, enregistreur,..)
–
Augmentation du courant consommé
Sur-échauffement (1)
b Augmentation de l’énergie active
b Baisse du facteur de puissance
Echauffement élevé du rotor et de la
cage
Perte d’excitation b Baisse notable du courant
des machines
d’excitation
b Coupure de l’enroulement
rotorique
Défaut PhaseTerre
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Destruction des enroulements par perte
d’isolation
Marche à vide
Surcharge
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b Contacts accidentels Phase-Terre b Surtention dévelopée sur le réseau
b Contacts accidentels Phase-masse b Elévation du potentiel des masses
(masse reliée à la terre)
(sécurité des personnes)
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Conséquences sur la sécurité des
personnes
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(1)Puis, à plus ou moins long terme, selon l’importance du défaut et/ou sa fréquence, court-circuit et destruction des enroulements.
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Généralités (suite)
Constituants de protection
Protection des moteurs et des machines
Les fonctions de protection
Protection contre les courts-circuits
Généralités
Un court-circuit se traduit par une augmentation brutale du courant qui peut atteindre
une valeur égale à plusieurs centaines de fois le courant d’emploi.
Les conséquences d’un court-circuit sont dangereuses à la fois pour les biens et pour
les personnes.
Il est donc impératif d’utiliser des dispositifs de protection chargés de détecter le
défaut et d’interrompre le circuit très rapidement.
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Deux protections sont communément employées :
b les fusibles (coupe-circuits) qui interrompent le circuit par leur fusion, laquelle
nécessite ensuite leur remplacement,
b les disjoncteurs à déclencheur magnétique, souvent dénommés plus simplement
“disjoncteurs magnétiques”, dont la remise en service ne nécessite qu’une manœuvre
de ré-enclenchement.
La protection contre les courts-circuits peut aussi être intégrée à des appareils à
fonctions multiples tels que les disjoncteurs-moteurs et les contacteurs-disjoncteurs.
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Les principales caractéristiques des protections contre les courts-circuits sont :
b leur pouvoir de coupure : c’est la plus grande valeur du courant présumé de courtcircuit qu’un appareil de protection peut interrompre sous une tension donnée.
b leur pouvoir de fermeture : c’est la plus grande valeur du courant que l’appareil de
protection peut établir sous sa tension nominale dans des conditions spécifiées.
Le pouvoir de fermeture est égal à k fois le pouvoir de coupure.
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Les fusibles (coupe-circuits)
Les fusibles réalisent une protection phase par phase (unipolaire), avec un pouvoir
de coupure important sous un faible volume :
b soit sur des porte-fusibles,
b soit dans des sectionneurs en remplacement des douilles ou des barrettes.
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Interrupteur-sectionneur
à fusibles GS2 N3
Les disjoncteurs magnétiques
Ces disjoncteurs assurent, dans la limite de leur pouvoir de coupure, la protection
des installations contre les courts-circuits.
Les disjoncteurs magnétiques réalisent d’origine une coupure omnipolaire.
Pour des courants de court-circuit peu élevés, le fonctionnement des disjoncteurs est
plus rapide que celui des fusibles.
Cette protection est conforme à la norme IEC 60947-2.
Les effets thermiques et électrodynamiques sont aussi limités, d’où une meilleure
protection des câbles et de l’appareillage.
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Sectionneur
à fusibles LS1 D32
Pour la protection des moteurs, les fusibles utilisés sont ceux de type aM. Leur
particularité est de laisser passer les surintensités du courant magnétisant à la mise
sous tension des moteurs. De fait, ils ne sont pas adaptés à la protection contre les
surcharges (contrairement aux fusibles de type gG). C’est pourquoi il est nécessaire
d’ajouter un relais de surcharge dans le circuit d’alimentation des moteurs.
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Disjoncteur magnétique
GV2 L
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Démarreur TeSys U LUB 12
avec unité de contrôle LUCApp
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Généralités (suite)
Constituants de protection
Protection des moteurs et des machines
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Les fonctions de protection (suite)
Protection contre les surcharges
Généralités
La surcharge est le défaut le plus fréquent. Elle se manifeste par une augmentation
du courant absorbé par le moteur et par des effets thermiques. Il est important de
revenir rapidement à des conditions de fonctionnement normales.
Les conditions réelles d’emploi (température ambiante, altitude d’utilisation et
service normalisé) sont indispensables pour déterminer les valeurs d’emploi du
moteur (puissance, courant) et pour pouvoir choisir une protection efficace contre les
surcharges. Ces valeurs d’emploi sont fournies par le constructeur du moteur.
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Relais de protection thermique
LRD 02
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Relais de protection thermique
LRD 365
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Relais de contrôle de courant RM4 JA
Selon le niveau souhaité, la protection peut être réalisée par :
b des relais de surcharge, des relais thermiques (bilames ou électroniques) qui
protègent les moteurs en cas :
v de surcharge, par le contrôle du courant absorbé sur chacune des phases,
v de déséquilibre ou d’absence de phases, par son dispositif différentiel.
b des relais à sondes à thermistance PTC (à Coefficient de Température Positif),
b des relais de surcouple,
b des relais multifonctions.
Les relais de surcharge
Ces relais protègent les moteurs contre les surcharges. Ils doivent admettre la
surcharge temporaire du démarrage et ne déclencher que si le démarrage est
anormalement long.
Le choix du relais de surcharge se fera en fonction de la durée de démarrage (classe
de déclenchement) et du calibre nominal du moteur.
Ces relais possèdent une mémoire thermique (sauf pour certains relais
électroniques de surcharge, signalés par leurs constructeurs) et peuvent être
connectés :
b soit en série avec la charge,
b soit à des transformateurs de courant placés en série avec la charge.
Les relais thermiques de surcharge à bilames
Ils assurent, par association avec un contacteur, la protection du moteur, de la ligne
et de l’appareillage contre les surcharges faibles et prolongées. Ils doivent être
protégés contre les fortes surintensités par un disjoncteur ou par des fusibles.
Ces relais sont utilisables en courant alternatif et continu et sont généralement :
b tripolaires,
b compensés, c’est à dire insensibles aux variations de la température ambiante,
b à réarmement manuel ou automatique,
b gradués en “ampères moteur” : affichage direct du courant sur la plaque
signalétique du moteur.
Ils peuvent également être sensibles à une perte de phase : c’est la notion de
différentiel. Cette fonctionnalité répond à la norme IEC 60947-4-1 et 60947-6-2.
Ce type de relais offre une excellente fiabilité et son coût est faible.
Les relais thermiques de surcharge électroniques
Les relais thermiques de surcharge électroniques bénéficient des avantages de
l’électronique qui permet de créer une image thermique du moteur plus élaborée.
Ils peuvent être associés à des produits aux fonctions complémentaires telles que :
b le contrôle de la température par sondes PTC ,
b la protection contre les blocages, les surcouples,
b la protection contre les inversions de phases,
b la protection contre les défauts d’isolement,
b la protection contre la marche à vide,
b la fonction alarme.
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Démarreur TeSys U avec module fonction
“alarme surcharge thermique”
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Généralités (suite)
Constituants de protection
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Protection des moteurs et des machines
Les fonctions de protection (suite)
Protection contre les surcharges (suite)
Les relais à sondes à thermistance PTC
Avec le contrôle direct de la température des enroulements statoriques, ces relais
peuvent être utilisés pour protéger les moteurs contre :
b une surcharge,
b une élévation de température ambiante,
b un défaut du circuit de ventilation,
b une fréquence de démarrages trop élevée,
b une marche par à-coups, etc…
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Relais à sondes
à thermistance LT3 S
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Les relais de surcharge (ou relais de surcouple)
Ils assurent une protection de la chaîne cinématique, en cas de blocage du rotor, de
grippage ou d’à-coups mécaniques. C’est une protection complémentaire.
Ces relais, contrairement aux relais thermiques de surcharge, ne possèdent pas de
mémoire thermique. Ils ont une caractéristique de fonctionnement à temps défini
(seuil de courant et temporisation réglables).
Le relais de surcouple peut être utilisé comme protection contre les surcharges pour
les moteurs ayant des démarrages longs ou très fréquents (pour les palans, par
exemple).
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Relais de surcharge
électronique instantané
LR97 D07
Les relais multifonctions
Les relais de surcharge sont limités lorsqu’il s’agit de prendre en compte les
problèmes liés à la tension, à la température ou à des applications particulières.
De nouveaux besoins de gestion de production ou de maintenance ont incité les
fabricants à proposer ces produits qui assurent non seulement une protection
adaptable, mais aussi une gestion complète du moteur et de sa charge.
Ils intègrent :
b des capteurs de courant et de tension (contrôleurs TeSys T),
b une technologie électronique hybride analogique et numérique,
b l’utilisation des bus de communication pour les échanges de données et le
contrôle,
b des algorithmes performants de modélisation des moteurs,
b des programmes d’applications intégrées et paramétrables.
Ces produits permettent de réduire les coûts d’installation et d’exploitation en
réduisant la maintenance et les temps d’arrêt.
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Démarreurs TeSys U :
Le relais multifonctions est intégré au démarreur moteur.
Cette solution est très compacte avec un câblage réduit. Elle est limitée à 32 A.
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Contrôleur TeSys U
LUTM 20BL
Contrôleurs TeSys U :
Le relais multifonctions est séparé de la ligne puissance et réutilise les blocs
fonctions de la solution TeSys U. Il permet une association avec contacteur jusqu’à
810 A.
Contrôleurs TeSys T :
Le relais multifonctions est séparé de la ligne puissance et intègre des entrées et des
sorties. Il permet une association avec contacteur jusqu’à 810 A.
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Démarreur TeSys U
LUB 32 avec unité de
contrôle multifonction
LUC M
Contrôleur TeSys T
LTM R08MBD
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Généralités (suite)
Constituants de protection
Protection des moteurs et des machines
Tableau de choix des relais de protection
Types de relais
Causes d’échauffement
Protection des moteurs Protection Protection des moteurs
des
et des machines
machines
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Relais de
surcharge
thermique
LR2 K,
LRD,
LRD 3,
LR9 F,
LR9 D (1)
2
Relais à
sondes
PTC
LT3 S
(2)
Relais de
surcouple
Contrôleur Contrôleur
TeSys U
TeSys T
LR97 D,
LT47
LUT M
LTM R
(2)
(2)
(3)
Surcharge faible
Blocage du rotor
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Marche à vide
LR9 7D
Défaut de phase
d’alimentation
Défaut de ventilation
Avec
sondes
Accroissement anormal
de température
Avec
sondes
Grippage d’un palier
d’arbre
Avec
sondes
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Défaut d’isolation
Démarrage trop long
Avec
sondes
Service sévère
Variation de tension
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Variation de fréquence
Perte d’excitation
des machines
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Parfaitement adapté
Solution possible
Inadapté (pas de protection)
(1)ou disjoncteur-moteur type GV2 ME.
(2)Protection basée sur le courant.
(3)Protection basée sur le courant et la tension.
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