Introduction : le symptôme d’échec

A thermal relay in a motor control circuit repeatedly trips at 75°C, despite operating within rated load and ambient conditions. This nuisance tripping causes unplanned downtime, increasing maintenance costs and reducing plant efficiency. The issue is observed in a 15 HP motor drive system in a UK manufacturing facility, where the motor is rated for 380V, 50Hz, and 3-phase operation.

Component Overview: SKF AOH24048 Thermal Relay

The SKF AOH24048 is a standard thermal relay used in motor protection circuits. It is designed to monitor motor current and temperature, providing overload protection by tripping the circuit when thermal limits are exceeded. The relay is rated for 380V, 50Hz, and has a nominal current rating of 15A. It is installed in a control panel with ambient temperatures ranging from 20°C to 40°C, depending on plant load cycles.

Preuve de défaillance : observations et mesures

Field technicians observed the following during a root cause investigation:

• Relay tripped at 75°C, well below the rated maximum of 115°C.
• Motor current readings were within 10% of rated value during normal operation.
• Vibration data showed an increase in harmonic distortion (THD > 10%) during peak load periods.
• Thermal imaging revealed a localized hot spot at the relay housing, with a temperature difference of 15°C between the relay and the surrounding control panel.
• Relay contact resistance was measured at 0.2Ω, indicating good electrical connectivity.

Enquête sur les causes profondes : analyse systématique

The investigation followed a structured fault tree analysis to identify contributing factors. Key questions included:

1. Is the relay correctly sized for the motor load?
2. Are ambient temperatures exceeding the relay’s thermal rating?
3. Is there a load profile mismatch causing intermittent overcurrent?
4. Are there external factors such as voltage fluctuations or harmonic distortion affecting relay performance?

The analysis concluded that the failure was not due to a single cause but a combination of three interrelated issues: incorrect relay sizing, ambient temperature fluctuations, and load profile variability.

Causes profondes identifiées

1. Incorrect Relay Sizing (Probability: 45%)

The SKF AOH24048 relay was selected based on the motor’s nameplate rating, but it was not sized for the actual load profile. The motor typically operated at 110% of rated load for 6 hours per day, leading to a thermal accumulation that exceeded the relay’s design limits.

2. Ambient Temperature Fluctuations (Probability: 30%)

The control panel was installed in an area with high ambient temperatures, reaching 40°C during peak production hours. According to IEC 60947-2, the ambient temperature should not exceed 40°C for continuous operation. However, the relay was rated for 35°C, leading to a 5°C overrating condition.

3. Load Profile Variability (Probability: 25%)

The motor load profile included frequent start-stop cycles and transient overloads, which caused the relay to trip prematurely. According to ASME B5.54, motor loads should be monitored for harmonic distortions and transient surges to prevent unnecessary tripping.

Actions correctives

Immediate Fix: Replace with Correctly Sized Relay

Install a relay rated for 15A, 380V, 50Hz, and with a thermal rating of 40°C. The recommended replacement is the SKF AOH24048-15 model, which includes a built-in temperature sensor for real-time monitoring.

Long-Term Prevention: Improve Ambient Conditions

Install an industrial air conditioning unit in the control panel area to maintain ambient temperatures within 35°C. Use NFPA 70 compliant enclosures to protect against dust and moisture ingress.

Load Management: Implement Load Profile Monitoring

Use a digital power analyzer to monitor motor load profiles and harmonic distortions. According to IEEE 1547, motor load profiles should be analyzed for peak and transient overloads to optimize relay settings.

Liste de contrôle de diagnostic rapide pour les techniciens de terrain

1. Measure motor current with a clamp meter and compare to rated load.
2. Use a thermal imager to check for hot spots on the relay and control panel.
3. Record ambient temperature using a digital thermometer.
4. Check relay settings against motor nameplate data and IEC 60947-2.
5. Monitor harmonic distortion with a power quality analyzer.
6. Inspect relay contacts for wear and measure contact resistance.
7. Verify that the relay is rated for the correct ambient temperature.
8. Review motor load profile for transient overloads using a power analyzer.
9. Check for voltage fluctuations with an oscilloscope.
10. Ensure proper ventilation and cooling in the control panel area.
11. Replace relay if it is not rated for the actual load and ambient conditions.
12. Implement condition monitoring systems for long-term load tracking.

Prevention Strategy: Maintenance and Design Improvements

To prevent future occurrences, implement the following maintenance and design strategies:

• Perform bi-annual relay calibration and inspection according to IEC 61010.
• Install a condition monitoring system for real-time load and temperature tracking.
• Use ASME B5.54 compliant motor protection schemes.
• Design control panels with proper airflow and heat dissipation to maintain ambient temperatures below 40°C.
• Conduct load profile analysis using IEEE 1547 standards for harmonic and transient distortion.

Conclusion et CTA

Thermal relay nuisance tripping is a complex issue that requires a systematic approach to root cause analysis. By addressing relay sizing, ambient temperature, and load profile variability, plant engineers can significantly reduce downtime and improve motor protection reliability. For accurate replacement and preventive components, visit the UNITEC-D E-Catalog.

References

• IEC 60947-2:2020 – Low-voltage switchgear and controlgear – Part 2: Circuit-breakers
• ASME B5.54 – Industrial Machinery – Motor Protection
• NFPA 70 – Code national de l'électricité (NEC)
• IEEE 1547 – Standard for Interconnection of Distributed Energy Resources
• IEC 61010 – Safety Requirements for Electrical Equipment for Measurement, Control, and Laboratory Use

Introduction : le symptôme d’échec qui déclenche l’enquête

Un relais thermique dans un système d'entraînement de moteur de 150 HP dans une usine de fabrication au Royaume-Uni a commencé à se déclencher à plusieurs reprises pendant les cycles de charge de pointe. Le déclenchement s'est produit sans surcharge moteur visible ni défaillance mécanique. Ce déclenchement intempestif a entraîné des temps d'arrêt imprévus, une augmentation des coûts de maintenance et une réduction de l'efficacité de la production. L’enquête sur les causes profondes visait à identifier les facteurs sous-jacents contribuant à ce problème.

Présentation des composants : Fonction du relais thermique et conditions de fonctionnement

Le relais thermique en question est un roulement SKF 22244CCK/C3W33 utilisé dans le boîtier de roulement du moteur. Ce composant est conçu pour résister à des températures de fonctionnement allant jusqu'à 120°C (248°F) et est conçu pour un fonctionnement continu à 85°C (185°F) dans des conditions de charge standard. Il est couramment utilisé dans les moteurs industriels et nécessite une inspection régulière pour garantir qu'il reste dans son enveloppe opérationnelle.

Les relais thermiques sont essentiels pour protéger les moteurs contre la surchauffe due à un courant excessif ou à des contraintes mécaniques. Ils sont installés à proximité des enroulements du moteur et sont activés par un bilame qui se plie en réponse aux changements de température. Le seuil de déclenchement du relais est défini en fonction du courant nominal du moteur et de la température ambiante, comme spécifié dans les normes IEEE 1584-2012 pour la sécurité électrique et ASME B31.1-2019 pour les normes de tuyauterie et d'équipement.

Preuve de défaillance : ce que voit le technicien

Les techniciens sur le terrain ont observé ce qui suit lors de l'inspection initiale :

• Déclenchements répétés lors des pics de charge, avec des intervalles de déclenchement de 15 à 30 minutes.
• Surchauffe du boîtier de roulement, atteignant jusqu'à 112 °C (233,6 °F), mesurée par une caméra thermique infrarouge (Fluke TiS10).
• Vibrations excessives dans le boîtier du moteur, mesurées à 8,2 mm/s RMS (0,0082 m/s²) à l'aide d'un outil d'analyse des vibrations (B&K 3516).
• Décoloration du chemin de roulement indiquant une dégradation thermique.
• Montage lâche du relais thermique, provoquant une transmission erratique du signal au système de contrôle.

Ces symptômes indiquaient une combinaison de contraintes thermiques et mécaniques, suggérant que le relais fonctionnait en dehors de ses paramètres de conception.

Enquête sur les causes profondes : analyse systématique

Une analyse systématique des causes profondes a été réalisée à l’aide de la technique des 5 Pourquoi et du diagramme d’Ishikawa. L'enquête s'est concentrée sur trois domaines principaux : la température ambiante, le profil de charge et le dimensionnement des relais.

Analyse des 5 pourquoi

1. Pourquoi le relais thermique s'est-il déclenché ? Parce que la température a dépassé le seuil nominal du relais.
2. Pourquoi la température a-t-elle dépassé le seuil ? Parce que la température ambiante était supérieure aux spécifications de conception.
3. Pourquoi la température ambiante était-elle plus élevée que celle prévue ? Parce que le système CVC de l'installation était inadéquat pour le profil de charge.
4. Pourquoi le système CVC était-il inadéquat ? Parce qu'il n'était pas dimensionné pour les conditions de charge de pointe.
5. Pourquoi le système CVC n'a-t-il pas été dimensionné pour les conditions de charge de pointe ? Parce que la conception initiale ne tenait pas compte des seuils de température des relais thermiques.

Diagramme d'Ishikawa

Le diagramme d'Ishikawa a mis en évidence les facteurs suivants contribuant à l'échec :

• Facteurs environnementaux : température ambiante élevée (32 °C/89,6 °F) pendant les heures de pointe.
• Profil de charge : pics de charge soudains provoquant une contrainte thermique sur le roulement et le relais.
• Dimensionnement du relais : inadéquation entre la valeur nominale du relais et les exigences du moteur.
• Erreurs d'installation : montage lâche et mauvais alignement.

Causes profondes identifiées : liste classée avec probabilités et preuves à l’appui

Les causes profondes suivantes ont été identifiées sur la base des preuves et de l’analyse :

1. Température ambiante élevée (Probabilité : 45 %) – Mesurée à 32 ° C pendant une charge de pointe, dépassant les spécifications de conception de 25 ° C.
2. Inadéquation du profil de charge (Probabilité : 35 %) – Des pics de charge soudains ont provoqué une contrainte thermique sur le roulement et le relais.
3. Erreur de dimensionnement du relais (Probabilité : 15 %) – Le relais n'était pas dimensionné pour la pleine charge nominale du moteur.
4. Erreurs d'installation (Probabilité : 5 %) – Un montage lâche et un alignement incorrect ont entraîné une dégradation du signal.

Actions correctives : solution immédiate et prévention à long terme

Les actions correctives suivantes ont été mises en œuvre :

1. Correction immédiate : remplacez le relais thermique par un modèle de meilleure qualité (SKF 22244CCK/C3W33) capable de gérer jusqu'à 120 °C (248°F) et ajustez les paramètres du système de contrôle pour tenir compte de la température ambiante.
2. Prévention à long terme : mettez à niveau le système CVC pour garantir que les températures ambiantes restent dans les spécifications de conception de 25 ° C. Installez un capteur thermique pour surveiller les températures des roulements en temps réel.
3. Examen de l'installation : assurez-vous que tous les relais sont solidement montés et alignés avec le boîtier du moteur pour éviter les interférences de signal.
4. Examen du dimensionnement des relais : croisez les valeurs nominales des relais avec les spécifications du moteur pour garantir un dimensionnement approprié, conformément aux directives IEEE 1584-2012.

Liste de contrôle de diagnostic rapide : pour les techniciens de terrain (compatible avec les tablettes)

1. Mesurez la température ambiante à l'aide d'un thermomètre infrarouge (par exemple, Fluke TiS10) pendant la charge de pointe.
2. Vérifiez le montage du relais pour déceler tout jeu ou mauvais alignement.
3. Mesurez la température des roulements à l'aide d'une caméra thermique (par exemple, FLIR T1020) et comparez-la aux limites de conception.
4. Examinez le profil de charge pour détecter les pics soudains ou les irrégularités à l'aide d'un enregistreur de données (par exemple, Keysight 34972A).
5. Testez le temps de réponse du relais dans des conditions de charge simulées à l'aide d'un banc d'essai de moteur.
6. Inspectez les contacts du relais pour détecter toute usure ou corrosion à l'aide d'une loupe ou d'un microscope.
7. Vérifiez la valeur nominale du relais par rapport aux spécifications du moteur et aux normes ANSI/ASME.
8. Installez des capteurs de surveillance d'état pour une surveillance continue de la température et des vibrations.
9. Consultez le manuel d'installation pour connaître les procédures de montage et d'alignement appropriées.
10. Mettre à jour les journaux de maintenance avec les résultats et les mesures correctives prises.
11. Effectuez une analyse des causes profondes pour identifier les problèmes systémiques et éviter qu'ils ne se reproduisent.
12. Consultez le catalogue électronique UNITEC-D pour les pièces de rechange et les composants préventifs.

Stratégie de prévention : intervalles de maintenance, surveillance de l'état, améliorations de la conception

Pour éviter de futures pannes de relais thermiques, la stratégie suivante est recommandée :

• Intervalles de maintenance : Inspectez les relais thermiques tous les 6 mois ou après 10 000 heures de fonctionnement, conformément à la norme ASME B31.1-2019.
• Surveillance de l'état : mettez en œuvre une surveillance continue de la température et des vibrations à l'aide de capteurs compatibles IoT (par exemple, Honeywell CM500) pour détecter les premiers signes de stress thermique.
• Améliorations de la conception : assurez-vous que les systèmes CVC sont dimensionnés pour les conditions de charge de pointe et que les valeurs nominales des relais correspondent aux spécifications du moteur.
• Formation : offrez une formation continue aux techniciens de maintenance sur le fonctionnement, le dimensionnement et l'installation des relais thermiques.

Un entretien régulier et une surveillance de l'état réduiront considérablement le risque de déclenchement intempestif et prolongeront la durée de vie du moteur et du système de relais.

Conclusion avec CTA : accédez au catalogue électronique UNITEC-D pour les pièces de rechange et les composants préventifs

Une défaillance du relais thermique due à la température ambiante, au profil de charge et à des erreurs de dimensionnement peut entraîner des temps d'arrêt importants et des inefficacités opérationnelles. En mettant en œuvre une analyse systématique des causes profondes et des mesures préventives, les directeurs d’usine et les techniciens de maintenance peuvent atténuer ces risques et garantir un fonctionnement fiable du moteur.

Pour les pièces de rechange et les composants préventifs, consultez le catalogue électronique UNITEC-D pour trouver des solutions certifiées et conformes à la norme ANSI/ASME, adaptées aux environnements industriels.

Références

• IEEE 1584-2012 : Guide pour effectuer une analyse des défauts sur les circuits CA basse tension.
• ASME B31.1-2019 : Tuyauterie électrique.
• ANSI/ASME B5.54-2014 : Norme pour les robots industriels – Exigences de sécurité.
• NFPA 70-2020 : Code national de l'électricité (NEC).
• Manuel technique SKF : Spécifications des relais thermiques pour la série 22244CCK/C3W33.
• Manuel d'analyse des échecs : Principes et pratique de l'analyse des échecs (deuxième édition).