Electricite

Anomalies et protection des moteurs electrique

Anomalies et protection des moteurs electrique

Anomalies et protection des moteurs electrique

Anomalies

Court circuit :

Un court-circuit (appelé familièrement « court-jus ») est la mise en connexion volontaire ou accidentelle de deux points (ou plus) d’un circuit électrique entre lesquels existe une différence de potentiel, par un conducteur de faible résistance. Il donne naissance à un courant de court-circuit. Les électrotechniciens utilisent fréquemment le mot défaut comme synonyme de court-circuit, car c’est un défaut de l’isolement électrique qui provoque l’apparition d’un arc électrique. On parle aussi de claquage diélectrique de l’air, ou d’un matériau isolant. De même, l’électrotechnicien appellera courant de défaut le courant en un point donné résultant d’un défaut apparu à un autre point du système électrique.

Analyse des courants de court-circuit :

Le calcul des courants de court-circuit dans les diverses parties d’un réseau est nécessaire pour pouvoir concevoir l’architecture du réseau en dimensionnant les équipements électriques et déterminant les dispositifs de protection nécessaires à mettre en place.

Les causes susceptibles de produire un courant de court-circuit sont:

  •   Dégradation et rupture de conducteur
  •  Coup de foudre
  •  Contact intempestif
  •  Claquage d’isolant
  •  Fausse manœuvre

Surintensité, surcharge :

Le courant de surcharge est une surintensité de nature progressive qui se produit dans un circuit sain suite à une augmentation de charge.

Les causes susceptibles de produire un courant de surcharge sont :

  • Appareil utilisé au-delà de sa puissance nominale (volontaire ou accidentelle)
  • Mauvais fonctionnement

Les conséquences occasionnées par un courant de surcharge sont :

  • Surintensité
  • Echauffement
  • Déséquilibre
  • Chute de fréquence

Surtension, foudre :

1/Surtension temporaire :
Ce type de défaut peut être dévastateur car la tension fournie peut atteindre une valeur dangereuse pour les équipements, le risque majeur est de retrouver une tension composée phase/phase à la place d’une tension phase/neutre en cas de rupture de neutre par exemple.


2/surtension transitoire :
Ces phénomènes sont très variables, ils sont essentiellement dus à la foudre et aux manœuvres sur le réseau. Leur temps de montée va de quelques microsecondes à quelques millisecondes, de sorte que leur domaine de fréquence est lui-même variable de quelques kHz à plusieurs centaines de kHz.

Chute de tension, manque de phase :

La tension chute à une valeur minimale pendant une durée importante. C’est une panne de tension suite à un problème sur le réseau électrique.

Les chutes de tension se caractérisent par une baisse de la tension en amplitude sur une durée de plusieurs périodes. Ils sont dus au démarrage de grosses charges électriques comme les moteurs, les ascenseurs, l’éclairage, le chauffage… et provoquent des arrêts du système et des pannes intempestives.

Harmonique :

Les courants et tensions harmoniques sont créés par des charges non linéaires raccordées au réseau de distribution. La distorsion harmonique est une forme de pollution du réseau électrique susceptible de poser des problèmes si la somme des courants harmoniques est supérieure à certaines valeurs limites, ce cas est rarement présenté dans le réseau étudié

Système de protection

Protections Généralité

Tout moteur électrique a des limites de fonctionnement.  Dépasser ces limites conduites, à plus ou moins long terme, à sa destruction, mais aussi à celle des mécanismes qu’il anime, avec pour conséquence immédiate des arrêts et des pertes d’exploitation.

Ce type de récepteur, qui transforme une énergie électrique en énergie mécanique, peut-être le siège d’incidents d’origine électrique ou mécanique.

• Electrique

– surtension, chute de tension, déséquilibre et perte de phases qui provoquent des variations sur le courant absorbé,

– courts-circuits dont le courant peut atteindre des niveaux destructeurs pour le récepteur

• Mécanique

– calage du rotor, surcharge momentanée ou prolongée qui entraînent une augmentation du courant absorbé par le moteur, d’où un échauffement dangereux pour ses bobinages.

Le coût de ces incidents peut-être élevé. Il doit prendre en compte les pertes de production, les pertes de matières premières, la remise en état de l’outil de production, la non qualité de la production, les retards de livraison. La nécessité économique d’accroître la compétitivité pour les entreprises implique la réduction des coûts liés à la perte de continuité de service et à la non qualité.

Ces incidents peuvent avoir également des conséquences dramatiques sur la sécurité des personnes en contact direct ou indirect avec le moteur.

Pour s’affranchir de ces incidents ou du moins limiter leurs conséquences et éviter qu’ils n’entraînent la détérioration du matériel, ainsi que des perturbations sur le réseau

d’alimentation, l’utilisation de protections est nécessaire. Elles permettent d’isoler du réseau le matériel à protéger, en actionnant un organe de coupure par détection et mesure des variations de grandeurs électriques (tension, courant, etc.).

• Chaque départ moteur doit donc comporter

– 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),

– 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.

Ces protections sont assurées par des appareils spécifiques, tels que des fusibles, disjoncteurs, relais de surcharge ou par des appareils plus intégrés offrants plusieurs types de protections.

La protection contre les défauts “terre” qui englobe la protection des personnes et contre les risques d’incendie, n’est pas traitée dans ce document car elle est habituellement prévue au sein de la distribution électrique pour un équipement, un atelier ou pour un bâtiment.

Protection contre les courts circuit

Les appareils insérés dans le circuit d’alimentation d’un moteur assurent diverses fonctions prévues par les règles d’installation : norme NFC 15-100 :

– Commande pour démarrage et arrêt moteur
– Protection contre les surcharges et les courts circuits, du moteur et de son alimentation.
– Sectionnement pour mise « hors tension » du circuit
– Coupure de sécurité ou d’arrêt d’urgence.

Les appareils de protection :

Les fusibles (coupe-circuits) :
A noter que des cartouches fusibles munies d’un percuteur peuvent être associées à un dispositif de coupure omnipolaire (souvent le contacteur de commande du moteur) pour empêcher la marche en monophasé lors de leur fusion.

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.

En général, leur calibre doit être immédiatement supérieur au courant de pleine charge du moteur à protéger.


Les disjoncteurs magnétiques :

Ces disjoncteurs assurent, dans la limite de leur pouvoir de coupure et par l’intermédiaire de leurs déclencheurs magnétiques (un par phase), la protection des installations contre les courts-circuits.


Les disjoncteurs magnétiques réalisent d’origine une coupure omnipolaire : le fonctionnement d’un seul déclencheur magnétique suffit à commander l’ouverture simultanée de tous les pôles.

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 CEI 60947-2. Pour interrompre efficacement un courant de court circuit, trois impératifs doivent être respectés :

– détecter très tôt le courant de défaut,- séparer très vite les contacts,

– interrompre le courant de court-circuit.

Leur durée de coupure particulièrement brève leur permet d’interrompre le courant de court-circuit avant qu’il n’atteigne son amplitude maximale.

De fait, les effets thermiques et électrodynamiques sont aussi limités, d’où une meilleure protection des câbles et de l’appareillage.

Protection contre les surcharges :

La surcharge est le défaut le plus fréquent sur les moteurs. Elle se manifeste par une augmentation du courant absorbé par le moteur et par des effets thermiques. La classe d’isolation détermine l’échauffement normal d’un moteur à une température ambiante de 40°C. Tout dépassement de la température limite de fonctionnement conduit à une réduction de la durée de vie par vieillissement prématuré des isolants. Notons toutefois

qu’une surcharge conduisant à un échauffement supérieur à la normale n’aura pas d’effets néfastes immédiats si elle est limitée dans le temps et peu fréquente. Elle n’implique donc pas nécessairement un arrêt du moteur, mais il est important de revenir rapidement à des conditions de fonctionnement normales.

L’importance d’une bonne protection contre les surcharges est donc évidente :

– elle préserve la durée de vie des moteurs en interdisant leur fonctionnement dans des conditions anormales d’échauffement,

– elle assure la continuité d’exploitation en :

– évitant des arrêts intempestifs des moteurs,

– permettant, après déclenchement, un redémarrage dans les meilleures conditions de sécurité pour les hommes et les équipements.


Les relais de surcharge 

Ces relais protègent les moteurs contre les surcharges, mais ils doivent admettre la surcharge temporaire due au démarrage, et ne déclencher que si le démarrage est anormalement long.

Selon les applications, la durée de démarrage des moteurs peut varier de quelques secondes (démarrage à vide, couple résistant peu élevé, etc.) à quelques dizaines de secondes (couple résistant important, forte inertie de la charge entraînée, etc.)

Il est donc nécessaire de disposer de relais adaptés à la durée de démarrage.

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 sont donc conçus pour autoriser le démarrage normal des moteurs sans déclencher. Cependant, ils doivent être protégés contre les fortes surintensités par un disjoncteur, ou par des fusibles (voir protection contre les courts-circuits).

Le relais thermique, permet de protéger un récepteur contre les surcharges faibles et prolongées. Il permet de protéger efficacement contre les incidents d’origines mécaniques, chute de tension, déséquilibre des phases, manque d’une phase. Le relais thermique est utilisable en courant continu et alternatif, les relais thermiques sont généralement tripolaires.

Les relais thermiques sont utilisables en courant triphasé, courant continu, courant monophasé et diphasé. Ils sont insensibles à la variation de la température ambiante, les bilames sont compensés. Les bilames de compensation sont soumises à la température de l’air ambiant elles se déforment de façon opposées aux bilames principales. Ils sont capables de déceler un manque de phase, un déséquilibre sur les phases. Le système différentiel permet de contrôler si le courant qui traverse les bilames est identique sur les trois circuits (manque de phases, fusion d’un fusible, déséquilibre). Les relais thermiques doivent être associés à un contacteur et à des fusibles. La plage de réglage est affiché en ampères-moteur, le réglage doit correspondre et cela sans compensation à l’intensité plaquée sur le moteur.

Les relais électroniques de surcharge :

Ces relais bénéficient des avantages de l’électronique qui permet de créer une image thermique du moteur plus élaborée. A partir d’un modèle reconstituant les constantes de temps thermiques du moteur, l’électronique calcule en permanence la température du moteur en fonction du courant qui l’a traversé et des temps de fonctionnement.

La protection approche donc mieux la réalité et peut éviter des déclenchements intempestifs. Les relais électroniques de surcharge sont moins sensibles à l’environnement thermique de l’endroit où ils sont installés.

Outre les fonctions classiques des relais de surcharge (protection des moteurs contre les surcharges, les déséquilibres et l’absence de phases), les relais électroniques de surcharge peuvent être complétés par des options telles que :

– le contrôle de la température par sondes CTP,

– la protection contre les blocages et les sur couples,

– la protection contre les inversions de phases,

– la protection contre les défauts d’isolement,

– la protection contre la marche à vide, etc.

Les relais à sondes à thermistance CTP :

Ces relais de protection contrôlent la température réelle du moteur à protéger. Ils offrent une excellente précision de la mesure de la température : leur volume réduit leur confère une inertie thermique très faible et donc un temps de réponse très court.

Avec le contrôle direct de la température des enroulements statoriques, ils peuvent être utilisés pour protéger les moteurs contre : surcharge, élévation de température ambiante, défaut du circuit de ventilation, fréquence de démarrages trop élevée, marche par à-coups, etc.

Ils comportent : ils sont composés de plusieurs éléments distincts.

Une ou plusieurs sondes à thermistance à Coefficient de TempératurePositif (CTP) placées au sein des bobinages des moteurs ou tout endroit susceptible de s’échauffer (paliers, roulements, etc.).

Ce sont des composants statiques dont la résistance augmente brutalement quand la température atteint un seuil appelé Température Nominale de Fonctionnement (TNF).


Les disjoncteurs moteurs:

Le “disjoncteur moteur” est un disjoncteur magnétothermique qui réalise à la fois la protection contre les courts-circuits et contre les surcharges par ouverture rapide du circuit en défaut. Il est la combinaison du disjoncteur magnétique et du relais de surcharge. Il satisfait aux normes
CEI 60947-2 et 60947-4-1

Dans ces disjoncteurs, les dispositifs magnétiques (protection contre les courts-circuits) ont un seuil de déclenchement non réglable, en général d’environ 10 fois le courant de réglage maximal des déclencheurs thermiques.

Leurs éléments thermiques (protection contre les surcharges) sont compensés contre les variations de la température ambiante. Le seuil de protection thermique est quant à lui réglable en face avant du disjoncteur.

Sa valeur doit correspondre au courant nominal du moteur à protéger.

Dans tous ces disjoncteurs, la coordination (type II) entre les éléments thermiques et la protection court-circuit est assurée par construction.

De plus, en position d’ouverture, la plupart de ces appareils ont une distance d’isolement suffisante (entre leurs contacts) pour réaliser la fonction de sectionnement. Ils intègrent également un dispositif de cadenassage nécessaire à la consignation.

Courbes de déclenchements

Les limites du disjoncteur :

Ir : courant de réglage de la protection contre les surcharges, il doit correspondre à la valeur du courant nominal (In) du moteur à protéger,

Im : courant de déclenchement de la protection magnétique temporisée,

Iinst : courant de déclenchement de la protection magnétique instantanée. Il peut varier de 3 à 17 fois Ir mais est en général proche de 10 Ir,

Ics : pouvoir assigné de coupure de service en court-circuit,

Icu : pouvoir de coupure ultime (maximum) en court-circuit

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harramhi