Analyse des causes profondes d'un mauvais fonctionnement du relais thermique : influence de la température ambiante, du profil de charge et des erreurs de sélection

1. Introduction : Syndrome de fausse activation du relais thermique

Le mauvais fonctionnement des relais thermiques est un problème courant dans les environnements industriels, entraînant des arrêts imprévus des équipements, une réduction de la productivité et des pertes économiques importantes. Malgré le fait que les relais thermiques soient conçus pour protéger les moteurs électriques des surcharges et des surchauffes, leur fonctionnement incorrect - se déclenchant en l'absence de menace réelle - nécessite une analyse technique approfondie. Cette analyse doit être systématique, fondée sur des données probantes et axée sur les causes profondes et non seulement sur les symptômes. Les conséquences typiques incluent : une perte de temps de travail pouvant aller jusqu'à 3 heures par incident, des coûts de diagnostic et de redémarrage pouvant atteindre 500 € par incident et d'éventuels dommages aux produits dans les chaînes de processus.

2. Présentation des composants : relais thermique et sa fonction

Le relais thermique est un élément clé du système de protection des moteurs électriques basse tension, qui assure leur fiabilité à long terme en coupant l'alimentation lorsque les courants admissibles sont dépassés. La protection contre les surcharges est essentielle car un courant excessif entraîne une surchauffe des enroulements du moteur, une dégradation de l'isolation et, par conséquent, une panne complète. Faire fonctionner le moteur à une température des enroulements supérieure de 10°C à la température nominale réduit sa durée de vie d'environ la moitié. Le temps moyen jusqu'à panne (MTBF) pour un moteur triphasé de qualité est de 50 000 à 70 000 heures, mais ce chiffre chute fortement en cas de surcharges fréquentes.

Il existe deux principaux types de relais thermiques :

• Relais bimétalliques : Ils fonctionnent sur le principe de déformation des plaques bimétalliques sous l'action de la chaleur dégagée lors de la circulation du courant. Relativement simple, économique, mais sensible à la température ambiante.
• Relais électroniques : Utilisez des thermistances ou des transformateurs de courant pour la mesure, des microprocesseurs pour l'analyse et la protection de précision. Offrent une plus grande précision, moins de sensibilité aux températures externes et des fonctionnalités avancées, notamment la surveillance de la température des enroulements (à l'aide de capteurs PT100) et des capacités de communication.

La sélection et le réglage du relais thermique sont réglementés par des normes internationales et nationales, notamment ДСТУ EN IEC 60947-4-1:2020 « Appareillage complet à basse tension. Partie 4-1 : Contacteurs et démarreurs de moteurs électriques. Contacteurs et démarreurs électromécaniques », qui définit les exigences de conception, les caractéristiques. et tests de ces appareils.

3. Preuve de panne : Ce que le technicien observe

En cas de fausse activation du relais thermique, un technicien expérimenté est confronté à une situation paradoxale : le moteur s'arrête, mais il n'y a aucun signe visuel et instrumental de surcharge. Les preuves typiques de refus comprennent :

• Entrée dans les logs : Déclenchement systématique des relais à certaines heures de la journée ou lors de certains cycles de production, qui ne correspondent pas aux pics de charge. Par exemple, un déclenchement à 14h00. chaque jour, lorsque le soleil chauffe l'atelier au maximum.
• Mesure du courant : la pince ampèremétrique indique un courant compris entre 70 et 90 % de la valeur nominale du moteur, tandis que le relais est réglé entre 110 et 120 % de cette valeur. L'absence d'asymétrie des courants dans les phases (écart <5%) indique un équilibre de charge.
• Examen thermographique : l'utilisation d'une caméra thermique (par exemple, Fluke TiS60+) ne détecte pas un échauffement anormal des enroulements du moteur (température de la surface du corps <60°C, température des bornes de sortie <70°C). Cependant, une augmentation de la température à l'intérieur de l'armoire de commande, où se trouve le relais, dépassant +35°C, peut être détectée.
• Analyse des vibrations : les vibromètres portables (par exemple SKF Microlog Analyser) enregistrent les niveaux de vibrations correspondant à la classe A ou B selon DSTU ISO 10816-3 (généralement <4,5 mm/s RMS pour les moteurs jusqu'à 300 kW), indiquant l'absence de problèmes mécaniques pouvant provoquer une surcharge.
• Contrôle visuel : Absence de fumée, odeur de brûlé, noircissement des fils ou des contacts. Le moteur tourne sans problème, sans bruits inhabituels ni vibrations intermittentes.

Exemple : Un relais thermique d'une plage de 23 à 32 A, réglé sur 31 A, est installé sur un convoyeur équipé d'un moteur électrique de 15 kW, courant nominal de 29 A (400 V). Il fonctionne systématiquement l'été à une température d'atelier de +38°C. La mesure du courant indique 27 A, thermographie moteur +55°C, armoire de commande +45°C. Cela indique clairement l'influence de facteurs externes et non une surcharge du moteur.

4. Recherche des causes profondes : analyse systématique

Une approche systématique, telle que l'analyse des « 5 pourquoi » ou le diagramme d'Ishikawa (arête de poisson), est utilisée pour identifier les causes profondes des dysfonctionnements des relais thermiques. Cela vous permet d'étudier le problème en profondeur, en tenant compte de tous les facteurs possibles.

4.1. La méthode des « 5 Pourquoi »

1. Problème : Le relais thermique se déclenche, le moteur cale sans surcharge apparente.
2. Pourquoi ? Le relais perçoit le courant de fonctionnement normal comme une surcharge.
3. Pourquoi ?
   • R. La température ambiante où le relais est installé est élevée.
   • B. Le courant de charge du moteur présente des pics inhabituels qui dépassent la classe de fonctionnement du relais.
   • A. Le relais a été mal sélectionné ou configuré.
   • D. Les éléments du relais se sont dégradés ou ont augmenté leur résistance transitoire.
4. Pourquoi (pour chacun des points A, B, C, D) ?
   • A. Pourquoi cette température élevée ? - Ventilation insuffisante de l'armoire, exposition directe au soleil, proximité de sources de chaleur (poêles, compresseurs).
   • B. Pourquoi des pics de courant inhabituels ? - Surcharges technologiques de courte durée (blocage du matériau), courants de démarrage élevés, modifications des caractéristiques de l'environnement de travail (densité du liquide).
   • Q. Pourquoi est-il mal sélectionné/configuré ? - Qualifications d'ingénieur insuffisantes, manque de données précises sur le profil de charge du moteur, non prise en compte de la classe de fonctionnement du moteur.
   • D. Pourquoi les éléments se sont-ils dégradés ? - Vieillissement naturel des matériaux, corrosion des contacts, vibrations, pollution, exposition à des milieux agressifs.
5. Pourquoi (pour d'autres facteurs) ? Par exemple, pourquoi la qualification est-elle insuffisante ? - Manque de formation régulière, négligence des instructions du fabricant.

4.2. Facteurs du diagramme d'Ishikawa

• Homme : Erreurs du personnel lors de la sélection, de l'installation, du réglage et de la maintenance.
• Méthode : Absence de procédures standardisées de contrôle, de diagnostic et de maintenance préventive.
• Machine : Usure ou panne du relais lui-même, mauvais type de relais pour l'application.
• Matériau (Matériau) : Dégradation du câblage, des surfaces de contact, des composants du relais de mauvaise qualité.
• Environnement : Température ambiante élevée, humidité élevée, pollution par la poussière, vapeurs chimiques agressives.
• Mesure : Utilisation d'instruments non calibrés, manque de données précises sur les paramètres du moteur et le profil de charge.

5. Causes profondes identifiées

Sur la base d'une analyse systématique, il est possible d'identifier les principales causes profondes du faux fonctionnement des relais thermiques, classées par probabilité et confirmées par des preuves :

1. Augmentation de la température ambiante (probabilité 40 %)

   Gist : Les relais thermiques, en particulier les relais bimétalliques, sont calibrés pour fonctionner à une température standard de +20°C. Lorsque la température ambiante augmente, le relais chauffe rapidement jusqu'à un point critique, même si le courant moteur est normal. Chaque augmentation de la température dans l'armoire de commande de 10°C au-dessus de la température nominale de fonctionnement du relais (généralement +20°C) peut entraîner une réduction du courant admissible de 5 à 10 %. Par exemple, un relais configuré pour 30 A à +20°C peut fonctionner à 27 A si la température de l'armoire atteint +40°C.

   Preuve : L'examen thermographique des armoires de commande révèle des températures de +40°C...+55°C. Les données historiques montrent une augmentation du nombre de déplacements pendant la période chaude de l'année ou dans certains commerces (par exemple fonderie, thermique).

2. Inadéquation du profil de charge et de la classe de fonctionnement du relais (probabilité 30 %)

   Gist : Certains processus technologiques sont caractérisés par des charges de pointe à court terme (par exemple, démarrage d'un convoyeur lourd, fonctionnement cyclique d'une presse, chargement d'un concasseur). Ces pics peuvent être importants (150-200 % du courant nominal), mais leur durée est trop courte pour que le moteur surchauffe. Cependant, si le relais thermique a une faible classe de déclenchement (par exemple, classe 10A, ce qui signifie DSTU EN IEC 60947-4-1:2020 déclenchement pendant 2 à 10 secondes à 7,2 fois le courant), il peut déclencher le moteur pendant ces pics.

   Preuve : L'analyse des formes d'onde de courant avec un enregistreur de qualité d'énergie (tel qu'un Fluke 435 série II) montre des pointes de courant régulières à court terme qui dépassent le réglage du relais mais ne constituent pas une surcharge soutenue. Le moteur ne montre aucun signe de surchauffe.

3. Erreurs dans la sélection et la configuration des relais (probabilité 20%)

   Essence : Une mauvaise sélection du relais thermique en fonction de la plage de courant ou un mauvais réglage de son réglage est une cause directe de fausses alarmes. Le relais doit être sélectionné de manière à ce que sa plage de réglage inclue le courant nominal du moteur et que le réglage soit réglé entre 1,05 et 1,15 du courant nominal du moteur (en fonction du facteur de service du moteur). Il arrive souvent que le relais soit conçu pour 100 % du courant nominal, ce qui ne laisse aucune marge pour les fluctuations normales de fonctionnement.

   Preuve : La vérification de la plaque signalétique du moteur et sa comparaison avec les réglages du relais révèlent une anomalie. Par exemple, le courant nominal du moteur est de 40 A et le relais est réglé sur 38 A. Manque de documentation claire sur la sélection et la configuration de l'équipement.

4. Dégradation de l'isolement et résistances transitoires (probabilité 10%)

   Gist : Au fil du temps, en particulier dans des conditions de vibrations, d'humidité élevée ou d'environnements chimiquement agressifs, les contacts et les bornes des relais peuvent s'oxyder, ce qui entraîne une augmentation de la résistance transitoire. Une augmentation de la résistance provoque un échauffement local au point de contact, ce qui affecte en outre les éléments bimétalliques du relais, l'obligeant à fonctionner plus tôt. La dégradation de l'isolation dans le câblage du moteur peut également créer des courants de fuite ou un échauffement localisé.

   Preuve : La mesure de la résistance des contacts du relais (microohmmètre) montre >100 µΩ, tandis que les nouveaux contacts sont <50 µΩ. Un contrôle visuel révèle des traces d'oxydation ou de surchauffe sur les bornes. Les mesures d'isolement avec un mégohmmètre (par exemple, Fluke 1587 FC) peuvent révéler des pannes ou une diminution de la résistance d'isolement jusqu'à 1-5 MΩ (normal > 100 MΩ).

6. Actions correctives : solutions immédiates et à long terme

Afin d'éliminer efficacement les fausses activations du relais thermique, il est nécessaire d'appliquer un ensemble d'actions correctives :

6.1. Pour une température ambiante élevée :

• Immédiat : Ouverture de la porte de l'armoire de commande (solution temporaire qui viole la sécurité), installation d'un ventilateur temporaire.
• Long terme : Installation de systèmes de climatisation industriels pour armoires de commande (par exemple Rittal Blue e+), utilisation de ventilateurs avec filtres pour circulation d'air forcée. Éloigner les armoires des sources de chaleur. Utilisation de relais thermiques avec compensation de température.

6.2. En cas d'inadéquation du profil de charge :

• Immédiat : Augmentation temporaire du réglage du courant du relais (avec ajustement ultérieur obligatoire), surveillance du courant.
• Long terme : Utilisation de relais thermiques avec une classe de déclenchement plus élevée (par exemple classe 20 ou 30 pour les démarreurs lourds). Installation de démarreurs progressifs ou de convertisseurs de fréquence pour réduire les courants de démarrage. Optimisation du processus technologique pour lisser les pics de charge.

6.3. Pour les erreurs de sélection et de configuration :

• Immédiat : Vérifiez et ajustez le réglage du courant du relais en fonction du courant nominal du moteur et de son facteur de service (généralement réglage = courant nominal du moteur * 1,1).
• Long terme : Développement d'instructions standardisées pour la sélection et le réglage des relais thermiques pour différents types de moteurs et de charges. Formation régulière du personnel d'ingénierie et technique. Réalisation d'un audit énergétique pour déterminer avec précision le profil de charge réel.

6.4. Pour la dégradation de l’isolation et les résistances transitoires :

• Immédiat : Nettoyage approfondi des groupes de contacts, serrage des connexions des bornes en respectant le moment de serrage (par exemple 2,5 Nm pour les bornes jusqu'à 2,5 mm²).
• Long terme : Inclusion dans le plan PPR de contrôles réguliers de l'état des contacts, de l'isolation et du remplacement des relais usés. Utilisation de bornes avec pinces à ressort pour une fiabilité accrue.

7. Liste de contrôle de diagnostic rapide pour les techniciens de terrain

Cette liste de contrôle est conçue pour un diagnostic rapide et efficace des causes de fausses activations du relais thermique directement sur le lieu d'exploitation. Il est recommandé d'utiliser une tablette portable pour la saisie des données.

1. Inspection visuelle : Vérifiez l'armoire de commande et le moteur pour détecter tout dommage visible, contamination, traces de surchauffe, indicateurs défectueux.
2. Température ambiante : Mesurer la température à l'intérieur de l'armoire de commande et de l'air ambiant à proximité du moteur (thermomètre infrarouge).
3. Courant de charge : Mesurez le courant de fonctionnement réel du moteur sur les trois phases (pince ampèremétrique, par exemple Fluke 376 FC). Enregistrez les valeurs maximales et minimales pour un cycle de travail complet (au moins 30 minutes).
4. Réglage du relais : Vérifiez le réglage actuel du courant sur le relais thermique.
5. Données nominales du moteur : Lisez le courant nominal et la classe d'isolation sur la plaque signalétique du moteur. Calculez le réglage du relais recommandé.
6. Tension d'alimentation : Mesurer la tension entre phases et entre phases et zéro (multimètre). Vérifiez le désalignement des phases (<2 %).
7. État des contacts : Coupez l'alimentation ! Vérifier la fiabilité des connexions des bornes, l'absence d'oxydation ou de fragilisation. Si nécessaire, serrez toutes les bornes.
8. Modèle thermique : Réaliser la thermographie du moteur (boîtier, roulements), de la boîte à bornes, des câbles de puissance et du relais thermique lui-même sous charge. Recherchez les « points chauds ».
9. Historique des déclencheurs : Collectez des informations sur les déclencheurs précédents (date, heure, conditions de fonctionnement, changements dans le processus technologique).
10. Vibration : Mesurez le niveau global de vibration du moteur (vibromètre) pour exclure les causes mécaniques de surcharge.
11. Contrôle de la ventilation : Évaluez l'efficacité de la ventilation de l'armoire de commande et du refroidissement du moteur.
12. Distorsion harmonique : si vous le soupçonnez, mesurez le facteur de distorsion non linéaire actuel (THDi) à l'aide d'un analyseur de qualité de réseau (doit être <10 %).

8. Stratégie de prévention : accroître la fiabilité du système

Une stratégie efficace pour prévenir les fausses activations des relais thermiques comprend un ensemble de mesures visant à optimiser la conception, l'installation, le fonctionnement et la maintenance :

• Conception et sélection :
  • Marge de courant : Sélectionnez toujours un relais thermique avec une petite marge sur la limite supérieure de la plage de régulation, de sorte que le courant nominal du moteur soit de 85 à 95 % de la limite supérieure.
  • Classe de fonctionnement : Tenir compte de la classe de fonctionnement du moteur et de la charge spécifique. Pour les moteurs avec des démarrages difficiles ou des charges de pointe cycliques, utilisez des relais de classe 20 ou de classe 30.
  • Compensation de température : Préférez les relais bimétalliques avec compensation de température intégrée, ou utilisez des relais électroniques dans des conditions de fluctuations importantes de la température ambiante.
• Assemblage et installation :
  • Ventilation des armoires : Assurer une bonne circulation de l'air à l'intérieur des armoires de commande. Installez des ventilateurs industriels avec filtres ou des systèmes de climatisation pour maintenir une température ne dépassant pas +30°C.
  • Séparation des sources de chaleur : Placez les relais thermiques à l'écart des autres composants générant une chaleur importante (ex : transformateurs, résistances).
  • Qualité des connexions : Utilisez des extrémités de câble de haute qualité, utilisez des tournevis dynamométriques pour serrer les connexions des bornes selon les recommandations du fabricant.
• Surveillance des conditions :
  • Systèmes SCADA : Mise en œuvre de systèmes SCADA ou de contrôleurs industriels (PLC) pour une surveillance constante du courant du moteur, de la température des enroulements (via des capteurs PT100), de la température de l'armoire de commande.
  • Enquêtes thermographiques : enquêtes thermographiques régulières et planifiées de toutes les armoires de commande et moteurs électriques (une fois tous les 6 à 12 mois) pour une détection précoce de la surchauffe.
  • Analyse de la qualité de l'énergie : Vérifier périodiquement la présence de distorsions harmoniques dans le réseau, pouvant provoquer un échauffement supplémentaire.
• Maintenance et formation :
  • MRP : Inclure dans le plan MRP une inspection régulière, un nettoyage et, si nécessaire, le remplacement des relais thermiques (tous les 5 à 7 ans pour les bimétalliques, selon les conditions de fonctionnement).
  • Calibration : Vérification de la calibration des instruments de mesure utilisés pour la mise en place du relais.
  • Formation du personnel : Réaliser des formations régulières pour les techniciens et ingénieurs sur les principes de fonctionnement des relais thermiques, les méthodes de diagnostic et les actions correctives.

9. Conclusion

Le fonctionnement efficace des relais thermiques est d’une importance cruciale pour garantir un fonctionnement ininterrompu et sûr des équipements industriels. Une approche systématique de l'analyse des causes profondes des faux positifs, qui comprend des diagnostics approfondis, des actions correctives et une stratégie de prévention, vous permet d'augmenter considérablement la fiabilité des processus de production. Investir dans la bonne sélection d'équipements, l'optimisation des conditions de fonctionnement et une maintenance qualifiée est rentable en réduisant les temps d'arrêt et en prolongeant la durée de vie des équipements coûteux.

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10. Liens

• DSTU EN CEI 60947-4-1:2020. Les appareils de distribution basse tension sont complets. Partie 4-1 : Contacteurs et démarreurs de moteurs électriques. Contacteurs et démarreurs électromécaniques.
• DSTU ISO 10816-3:2006. La vibration est mécanique. Évaluation des vibrations de la machine sur la base des résultats de mesures sur des pièces fixes. Partie 3 : Machines industrielles d'une puissance nominale supérieure à 15 kW, fonctionnant à des vitesses comprises entre 120 tr/min et 15 000 tr/min, posées sur des fondations souples ou rigides.
• Manuels d'exploitation et de maintenance des moteurs électriques et des relais thermiques des principaux fabricants (par exemple, Siemens, Schneider Electric, Eaton).
• Mankis, SE (2012). Guide d'exploitation et de réparation des moteurs électriques. Moscou : Energoatomizdat.